CN107177476A - 转移装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是基于一种具有至少一个泵单元(12)的转移装置，所述泵单元(12)被设置用于在设备(16)，特别是光生物反应器设备的第一封闭空间(14)和与所述第一空间(14)相分离的第二空间(18)之间转移限定气体。提出将所述至少一个泵单元(12)被实施为选择性氧气泵。

Description

转移装置
技术领域
本发明涉及一种转移装置。
发明内容
提出了一种具有至少一个泵单元的转移装置，所述泵单元被设置用于在设备的第一封闭空间和与第一空间相分离的第二空间之间转移限定气体。这种转移装置，例如用于随着生物反应器的连续操作(其中连续或分批添加CO2)，将气体从光生物反应器的第一封闭空间泵出，导致第一空间中的压力增加。在本文中，泵出整个气体混合物中的一部分，其结果是通常将氧气O2、二氧化碳CO2和氮气N2从该空间泵出。
特别地，本发明的目的是使一种通用装置可用，其改进了气体转移，尤其是选择性气体转移控制以及气体比率控制的特征。根据本发明，通过专利权利要求1的特征可以实现该目的，而本发明的有利的实施方案和进一步的发展则可以从从属权利要求中获得。
发明的优点
本发明是基于一种具有至少一个泵单元的转移装置，所述泵单元被设置用于在设备，特别是光生物反应器设备的第一封闭空间和与第一空间相分离的第二空间之间转移限定气体。
提出将至少一个泵单元实施为选择性氧气泵。优选地，泵单元是由电化学氧气泵来实现的。优先地，转移装置是由光生物反应器转移装置来实现的。在这个背景下，要将“转移装置”特别理解成设备的装置，其被设置用于为设备进行流体，特别是气体的限定馈入或输送。优选地，尤其要将其理解成被设置用于从设备的至少一个封闭的空间向外限定气体转移的装置。经由转移装置，例如，可实现在至少两个彼此分离的空间之间的气体的压力补偿和/或转换，特别是选择性转换。在这个背景下，要将“光生物反应器转移装置”，特别是光生物反应器的转移装置理解成被设置用于为光生物反应器进行流体，特别是气体的限定馈入或输送。此外，在这个背景下，要将“泵单元”特别理解成被设置用于输送至少一种流体的单元。优选地，尤其要将其理解成被设置用于在至少两个彼此分离的空间之间进行直接的、限定的气体转移的单元。在本文中，可特别地独立于在彼此分离的两个空间之间的压力差来实现气体转移。此外，在这个背景下，要将“封闭的空间”特别理解成处于至少一种操作状态中，优选为在设备的操作期间，至少与关于自由空气流动的环境和自然环境基本上相隔离和/或封闭的空间。优先地，要将其特别理解成一个空间，其中防止或至少限制了从该空间和/或至该空间中的非预期的物质转换。优选地，该空间针对环境和/或针对至少一个相邻的空间进行密闭。在这个背景下，要将“设备”特别理解成一种装置，其包括至少一个反应器和/或至少一种工艺。优先地，要将其理解成一种装置，其包括至少一个用于生理化学、生物化学和/或生物工艺的反应器。特别优选地，要将其特别理解成包括至少一个反应器的装置，其在工艺中释放氧气。在这个背景下，要将“光生物反应器设备”特别理解成反应器或设备，其被设置用于生产和/或培养微生物，例如，藻类、蓝细菌、苔藓植物、细菌、植物细胞培养物和/或其他微生物，特别是在人造技术环境内进行。优选地，要将其特别理解成反应器或设备，其利用所生产和/或培养的微生物的光合作用的过程以获得能量，特别是用光结合二氧化碳(CO2)并且经光合作用产生氧气(O2)。此外，在这个背景下，要将“选择性氧气泵”特别理解成泵单元，特别地其对于氧气具有选择性。优先地，要将其特别理解成泵单元，用该泵单元可以选择性地泵送氧气。优选地，要将其特别理解成泵单元，用该泵单元可以独立于主要的气体混合物将氧气(如果存在的话)选择性地泵出空间并且/或者转移至另一个空间中。特别地，“设置”表示特别进行编程、设计和/或配备。要将被设置用于某种功能的物体特别理解成该物体在至少一个应用状态和/或操作状态中完成和/或实现了所述某种功能。
通过实现根据本发明的转移装置，可以有利地根据要求特别地和选择地转移氧气。特别地，这允许实现特别是在设备(特别是光生物反应器设备)的第一封闭空间中的氧气浓度的有目的的控制、减少和/或增加。以这种方式，可实现对气体转移的有利的控制以及对气体比率和/或总压力的同时控制。优选地，这允许提供转移装置，其特别地是完全用电工作的。
还提出至少一个泵单元包括至少一个氧化锆元件，其被设置用于氧气从第一空间进入到第二空间中的选择性转移。优先地，氧化锆元件是由氧化锆陶瓷实现的。优选地，设置氧化锆元件以充当离子导体和/或固体物质电解质。再者，特别优选地，泵单元的泵速特别地受所施加的电流额定值和/或氧化锆元件的几何形状，特别是表面积的影响。优先地，特别是在吸入侧和输出侧上的泵的性能，即，每时间单位的体积流量和可实现的压力可以经泵的流量、操作温度和泵单元的几何形状进行调整和/或配置。通过转移装置，还可以确定工艺的氧气生产速率，特别是氧气(O2)的光合速率或氧气转移速率。优选地，氧化锆元件被设置用于在环境压力下氧气从第一空间至第二空间中的选择性转移。在这个背景下，“氧化锆陶瓷”特别地是指技术陶瓷。优选地，氧化锆陶瓷由非金属矿物材料构成。特别地，氧化锆陶瓷用其他的氧化物，例如氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)和/或氧化钇(Y2O3)进行稳定。然而，原则上，还可以想到被本领域的技术人员认为是有利的其他陶瓷和/或元件，例如，包括氧化钛、氧化钒、氧化铌和/或钙钛矿的陶瓷和/或元件，其中氧化物可以分别被其他氧化物稳定。第一空间的操作压力可以在10-3毫巴和100巴之间。第二空间的操作压力也可以在10-3毫巴和100巴之间。这特别地允许使得特别可靠的泵单元为可用的。此外，以这种方式，可以使泵单元的有利的灵活的泵速率成为可能。另外，通过适当的配置，不需要为操作进行消耗性材料的周期性更换。因此，不需要占用操作员的时间。因此，也可以实现对资源的低需求量。可以使具有高操作鲁棒性且因此优选用于外太空中的转移装置为可用的。特别地，可以使不具有移动部件的泵单元为可用的。优选地，可以使转移装置为可用的，其特别地是完全用电工作的。
还提出使至少一个泵单元包括至少一个加热元件，其被设置用于加热至少一个氧化锆元件。优选地，至少一个加热元件被设置用于将氧化锆元件加热到操作温度且特别地将其保持在这个温度上。优先地，至少一个加热元件被设置用于将氧化锆元件加热到至少为500℃的操作温度，且特别优选为500℃至700℃的操作温度并特别地将其保持在这个温度上。在这个背景下，要将“加热元件”特别理解成被设置用于产生加热输出的元件。优先地，要将其特别理解成被设置用于将能量，特别是电能转换成热能的元件。可想到被本领域的一些技术人员认为是有利的加热元件的各种实施方案。例如，加热元件可以被实施为微波加热元件、为电阻加热元件和/或特别优选为红外加热元件。这允许有利地提供具有最佳操作温度的氧化锆元件。这还允许最佳的氧气转移。特别地，以这种方式可实现泵单元的高效率水平。
还提出了至少一个泵单元的至少一个氧化锆元件是由掺杂的氧化锆元件实现的。优选地，氧化锆元件掺杂有，例如，氧化钇(Y2O3)。然而，原则上，还将想到的是氧化锆元件是由非掺杂的氧化锆元件和/或由掺杂的和非掺杂的氧化锆元件的组合实现的。以这种方式，可以使有利的有效泵单元为可用的。此外，特别地，可以实现氧化锆元件的有利的高离子电导率。
进一步提出的是至少一个泵单元的至少一个氧化锆元件被设置根据泵流的极性，用于第一空间和第二空间之间的双向氧气转移。优先地，这特别是指可用泵单元从第一空间至第二空间中，以及从第二空间至第一空间中输送氧气。优选地，对氧气转换方向的选择是特别地经由改变所施加的电位的极性来实现的。这特别地允许实现对泵单元的有利的可变使用。此外，以这种方式，泵单元可以有利地用于第一空间和第二空间之间的双向氧气转移，特别是在相同的物理设置的情况下。
至少一个泵单元还被设置用于特定地和选择性地分离氧气。这特别允许对氧气进行特定且选择性的转移。特别地，可有利地实现对气体转移的控制以及对部分压力和/或总压力的同时控制。
此外提出了使至少一个泵单元在处于至少一种操作状态下被设置用于至少一种气体的电还原。优选地，至少一个泵单元处于至少一种操作状态下被设置用于在第一空间中的至少一种气体的电还原。以这种方式，可以使有利的高效泵单元为可用的。
此外，还提出了至少一个泵单元被设置用于第一空间和/或第二空间中还原气体的累积。优选地，至少一个泵单元被设置用于在第一空间中还原气体的累积。以这种方式，特别地，可以使特定和选择性的气体累积成为可能。
还提出了转移装置包括至少一个测量单元，其被设置用于捕获在泵单元的至少两侧之间的电压差。优先地，测量单元被设置用于捕获被布置在第一空间中的泵单元的第一侧以及被布置在第二空间中的泵单元的第二侧之间的电压差。优选地，测量单元包括至少一个电压计，其被设置用于捕获至少两个接触点之间，特别是至少两个电极之间的电压差。特别优先地，测量单元还包括计算单元，其被设置用于评估电压计的测量信号。特别地，要将“计算单元”理解成具有信息输入、信息处理和信息输出的单元。有利地，计算单元包括至少一个处理器、存储器、输入和输出元件、进一步的电气结构组件、操作程序、比率控制例程、控制例程和/或计算例程。然而，原则上，计算单元还可以被实施为逻辑开关，例如，FPGA(现场可编程门阵列)和/或类似的开关。由此，泵单元可以特别额外地用于捕获数据。优选地，这允许泵单元承担额外的监控功能。
还提出了至少一个测量单元被设置用于在电压差的基础上减去第一空间和第二空间之间的压力差。至少一个测量单元被设置用于根据电压差减去在第一空间和第二空间之间的部分压力差。特别优选地，可以确定当前的氧气浓度和/或氧气浓度的差异，特别是在已知在第一空间和/或在第二空间中的氧气部分压力的情况下。以这种方式，转移装置可以有利地用于压力监视。
此外，本发明基于具有转移装置的设备，特别是光生物反应器设备。提出了设备包括控制和/或调节单元，其被设置用于利用转移装置控制和/或调节在反应区域外部的在第一空间中的绝对氧气部分分数(absolute oxygen partial fraction)。优先地，控制和/或调节单元被设置用于将在反应区域外部的在第一空间中的绝对氧气部分分数控制和/或调节至最大为25％的值，优选为不大于20％且特别优选为最大为15％。然而，原则上，也可以想得到本领域的一些技术人员认为是有利的氧气部分分数的其他值，特别是根据使用的类型。优先地，控制和/或调节单元被设置用于将在反应区域外部的第一空间中的绝对氧气部分分数控制和/或调节至约
15％的值。特别优先地，控制和/或调节单元被设置用于以这样一种方式将在反应区域外部的第一空间中的绝对氧气部分分数控制至一个值，那就是实现关于其绝对值为等摩尔的dCO2/dt＝-dO2/dt的比率。优选地，控制和/或调节单元被设置用于通过利用转移装置泵出氧气来控制和/或调节在反应区域外部的在第一空间中的绝对氧气部分分数。特别地，要将“控制和/或调节单元”理解成具有至少一个控制电子组件的单元。特别地，“控制电子组件”是指具有处理器单元和存储器单元，以及具有存储在存储器单元中的操作程序的单元。然而，原则上，控制电子组件还可以被实现为逻辑开关，例如，FPGA(现场可编程门阵列)和/或类似的开关。以这种方式，可以在设备，特别是光生物反应器设备的第一空间中设有有利的气体混合物。优选地，这允许将在第一空间中的绝对氧气部分分数有利地控制和/或调节至一个值，在该值上，存在有利的，特别为最佳的设备(尤其是光生物反应器设备)的O2生产速率和/或O2输出速率。以这种方式，特别地，将转移装置完全集成为自动，特别是基于计算机的控制和/或调节概念成为可能。
进一步提出了设备，特别是光生物反应器设备包括至少一个光生物反应器单元，其被设置用于接收馈入的二氧化碳和经光合作用产生和输出氧气。然而，原则上，还可以想到的是设备包括至少一个替代的反应器单元，其被设置用于产生和输出氧气。在这个背景下，要将“光生物反应器单元”特别理解成单元，其被设置用于直接生产和/或培养微生物，例如，藻类、蓝细菌、苔藓植物和/或植物细胞培养物，特别是在人造技术环境内进行。优选地，将其特别理解成经由使用光、二氧化碳(CO2)和水的光合作用来直接使用生产和/或培养微生物的光合作用过程以产生氧气(O2)的单元。为了这个目的，该单元优先包括用于照射微生物的光源。这允许使有利的设备为可用的。
此外，本发明涉及一种用于操作设备，特别是光生物反应器设备的方法。提出经由转移装置控制和/或调节在反应区域外部的第一空间中的绝对氧气部分分数。优选地，经由转移装置将在反应区域外部的第一空间中的绝对氧气部分分数控制和/或调节至最大为25％的值，优选为不大于20％，且特别优选为最大为15％。特别优先地，经由转移装置将在反应区域外部的第一空间中的绝对氧气部分分数控制和/或调节至约为15％的值。特别优选地，以这样一种方式经由转移装置将在反应区域外部的第一空间中的绝对氧气部分分数控制和/或调节至一个值，那就是实现关于其绝对值为等摩尔的dCO2/dt＝-dO2/dt的比率。以这种方式，可以使有利的气体混合物在设备，特别是光生物反应器设备的第一空间中为可用的。优先地，以这种方式，可以将第一空间中的绝对氧气部分分数有利地控制和/或调节至一个值，在该值上，存在有利的，特别为最佳的设备的O2生产速率。
还提出了利用转移装置以监视和/或调整至少一种安全相关的操作状态。优选地，转移装置可以用于，例如监控和/或调整在第二空间和/或特别优选为在第一空间中的压力和/或氧气浓度。这特别允许实现对转移装置的有利的多样化的使用。优先地，以这种方式，转移装置可以完成超出转移以外的功能。
此外，还提出了在减小和/或增加重力的条件下实现性能。优选地，所述方法要用于外太空中，例如，以μg为单位用于太空船中，用于太空船中加速度为10-6xg至10xg的过程中，用在行星，例如火星上和/或用在天然卫星，例如月球上。在本文中，要将g值特别理解成在行星上和/或小行星上或在行进的太空船中。然而，原则上，g值可能由于技术原因而急剧增加，例如，至100xg。例如，设备和/或反应器可以暴露于不同于所提及的值的人为的过程加速度。特别地，要将“减小的重力的条件”理解成在这样的条件下，存在有最大为0.9xg，有利地为最小低至1*10-3xg，优选为最小低至1*10-6xg且特别优先为最小低至1*10-8xg的重力效应。此外，要将“增加的重力的条件”特别地理解成在这样的条件下，存在有至少为
1.1xg，优选为高达最大为10xg的重力效应。重力效应可以由重力引起并且/或者由加速度而人为地产生。原则上，g值可以由于技术原因而显着增加。“g”表示地球上的重力加速度的值，即9.81m1*s-2。该方法可有利地应用于外太空中的生命维持系统和/或气候控制系统中，例如，在航天器、太空殖民地、温室、如流动站的载人系统和/或太空服，特别是EVA服装(舱外活动服装)中。
还提出了在ISRU(原位资源利用)应用中执行该方法。在本文中，该方法可以在行星上的原位资源利用(ISRU)应用的范围内应用于从气体混合物和/或从局部存在的材料，例如，局部存在的固体-物质本体分离和/或累积氧气。除此之外，该方法也可以替代地应用于陆地应用中的封闭隔室中，例如，在飞机、潜艇、沙坑、密闭的空间、温室和/或如汽车、火车的车辆等中。作为其结果，可实现该方法的有利的应用。
此外，提出了将该方法用作环境控制系统的一部分。在本文中，该方法特别地用于压力调节和/或温度调节和/或用于分裂例如二氧化碳(CO2)的气体以获得氧气(O2)和/或用于受控的氧气供应和/或调节。优选地，该方法用于至少基本上是封闭的系统，例如，特别在航天器、飞机、登陆艇或水运工具中的压力调节和温度调节以及氧气供应。在本文中，可特别地在地球上，以及在外太空中、在航天器中和/或在行星和/或小行星上的环境控制系统中执行该方法。在这个背景下，“环境控制系统”特别是指用于环境的控制系统。优先地，要将其特别理解成气候系统，其被设置用于空气交换、压力调节、温度调节、压力供应和/或氧气供应，特别是在至少基本上是封闭的舱室中。优选地，要将其特别理解成航天器和/或飞机，特别是商业飞机的气候系统。作为其结果，可实现该方法的有利应用。
在本文中，根据本发明的转移装置、设备和方法并不限于上述的应用和实现方案。特别地，为了完成本文所述的功能，根据本发明的转移装置、设备和方法可以包括不同于本文所述数量的多个相应的元件、结构组件和单元。
附图说明
根据下列对附图的描述，进一步的优点将变得显而易见。附图示出了本发明的示例性实施例。附图、说明书和权利要求书含有多个特征组合。本领域的技术人员也将有目的地单独考虑这些特征并且将找到进一步有利的组合。
其中：
图1示意性地示出了以光生物反应器单元、控制和调节单元以及转移装置为特征的设备，
图2示意性地示出了以泵单元为特征的转移装置，所述泵单元包括氧化锆元件，
图3示意性地示出了转移装置的图2的部分截面III-III，以及
图4为示出了在具有藻类反应器的设备的示例性操作期间随时间变化的气体浓度的图。
具体实施方式
图1示出设备16。设备16是由光生物反应器设备实现的。设备16被设置用于外太空中。设备16包括空间14。空间14是由封闭空间实现的。此外，设备16包括光生物反应器单元36。原则上，设备16还可以包括多个光生物反应器单元36。原则上，设备16还可以包括其他本领域技术人员认为有利的反应器。光生物反应器单元36被布置在空间14中。光生物反应器单元36被设置用于接收馈入的二氧化碳CO2并且使用光源44经光合作用产生和输出氧气O2。设备16包括气罐38。气罐38是由二氧化碳罐实现的。气罐38经由管线通过阀连接到空间14。阀40示例性地由磁阀实现。为了光生物反应器单元36的反应，将二氧化碳CO2从气罐38输送至空间14中。在本文中，通过阀40控制一定量的二氧化碳CO2。
光生物反应器单元36被设置用于在人工技术环境中生产和/或培养微生物，例如，藻类、蓝细菌、苔藓植物和/或植物细胞培养物。光生物反应器单元36包括作为光合系统实例的藻类培养物。光生物反应器单元36被设置用于使用所生产的和/或培养的微生物的光合作用过程经光合作用从光、二氧化碳CO2和水产生氧气O2。光生物反应器单元36包括用于接收微生物的接收元件42。接收元件42可以由例如，管道、板和/或本领域的普通技术人员认为是有利的另一种接收元件42实现。光生物反应器单元36还包括光源44。光源44是由人造光源实现的。然而，原则上，也可以想到将太阳光用作光源。光源44被设置用于在操作期间照射微生物。光生物反应器单元36形成设备16的反应区域34。
设备还包括转移装置10。转移装置10是由光生物反应器转移装置实现的。转移装置10被布置在设备16的第一空间14和第二空间18之间。第二空间18形成设备16的环境。第二空间18与设备16的第一空间14分开实施。在本实施例中，第二空间18是由空间站的舱室实施的。转移装置10与第一空间14和第二空间18邻接。第一空间14的操作压力可以在10-3毫巴和100巴之间。第二空间18的操作压力可以在第一空间14的压力和100巴之间。优选地，转移装置10的操作是在环境压力下，优先地在第一空间14中的750毫巴至1250毫巴的范围中以及在第二空间18中的800毫巴至1500毫巴的范围中执行的。
此外，转移装置10包括泵单元12。泵单元被设置用于在设备16的第一封闭空间14和与第一空间14相分离的第二空间18之间转移限定气体。泵单元12被实施为选择性氧气泵。泵单元12是由电化学氧气泵来实现的。泵单元12还包括氧化锆元件20。氧化锆元件20被设置用于氧气O2从第一空间14进入到第二空间18中的选择性转移。氧化锆元件20是由氧化锆陶瓷实施的。氧化锆元件20是由掺杂的氧化锆元件来实现的。氧化锆元件20掺杂有氧化钇(Y2O3)。然而，原则上，也可以想到的是氧化锆元件20由无掺杂的氧化锆元件实现。为了这个目的，氧化锆元件20是由在一侧上封闭的氧化锆管实现的。氧化锆元件20被实施为“试管形”。然而，原则上，也可以想到被本领域的技术人员认为有利的另一种形状。例如，也可以想到氧化锆元件20的平面设计，所述平面在两个空间14、18之间形成分离平面。氧化锆元件20因此形成中空空间46。氧化锆元件20以封闭侧伸入到第二空间18中。氧化锆元件20的开放侧伸入到第一空间14中。然而，原则上，也可以想到，氧化锆元件20以封闭侧伸入到第一空间14中，氧化锆元件20的开放侧伸入到第二空间18中。氧化锆元件20的中空空间46连接到第一空间14。泵单元12还包括引导管48，其从第一空间14伸入到中空空间46中。引导管48用于引导流入到中空空间46中的气体。引导管48平行于氧化锆元件20延伸。引导管48与氧化锆元件20间隔开。引导管48延伸直到快要到达氧化锆元件20的封闭侧。经引导管48，气体能够流入到中空空间46中。位于中空空间46中的气体被设置成在中空空间46的间隙，在引导管48和氧化锆元件20之间中流动，且流出中空空间46。作为其结果，可实现有利的循环。此外，可实现以有利的均匀的方式流过中空空间46(图2)。
除此之外，泵单元12包括两个电极50、52。电极50、52至少部分地由铂制成。电极50、52分别由在电极材料之间的具有自由空间的结构化电极实现。电极50、52另外用作用于含氧气体(例如SO2、CO2、NO、NO2或O3)离解和/或用于选择性分离氧气O2的催化剂。然而，原则上，也可以考虑本领域技术人员认为有利的电极的不同实现方案。特别地，可以考虑其他的电极材料，例如，钯、铑、钴、铱和/或镍。原则上，除了电极50、52之外，还可以想到使用单独的催化剂。泵单元12的第一电极50被布置在氧化锆元件20的内侧，其面向中空空间46。第一电极50在氧化锆元件20内侧的大部分上延伸。第一电极50被布置在氧化锆元件20和第一空间14之间。泵单元12的第二电极52被布置在氧化锆元件20的外侧上，其背离中空空间46。泵单元12的第二电极52被布置在氧化锆元件20的外侧上，其位于背离氧化锆元件20的开放端的氧化锆元件20的一端处。在背离氧化锆元件20的开放端的氧化锆元件20的一侧，氧化锆元件20被第二电极52包围至大部分。第二电极52被布置在氧化锆元件20和第二空间18之间。电极50、52经由线路连接到电源54。电源54包含电极50、52的共享电压源。电源54提供泵流。泵单元12的氧化锆元件20被设置用于根据泵流的极性24在第一空间14和第二空间18之间的双向氧气转移(图2)。
泵单元12还包括加热元件22。加热元件22被设置用于加热氧化锆元件20。加热元件22被设置用于将氧化锆元件20加热至工作温度并将其保持在所述工作温度。加热元件22被设置用于将氧化锆元件20加热至在500℃和700℃之间的工作温度并将其保持在所述温度下。加热元件22是由红外辐射加热器实现的。然而，原则上，也可以想到本领域技术人员认为有利的加热元件22的不同实现方案，特别是作为电阻加热器。加热元件22表现为管形。然而，原则上，也可以想到本领域技术人员认为有利的不同实现方案。例如，在氧化锆元件20被实施为平坦的，特别是板形的情况下，加热元件22原则上也可以由分别布置在氧化锆元件20的相对侧上的两部分加热元件组成。加热元件22在第二电极52的区域中在其外表面上围绕氧化锆元件20。加热元件22平行于氧化锆元件20的主延伸方向延伸。加热元件22与氧化锆元件20以及与第二电极52间隔开(图2)。
氧化锆元件20充当选择性氧气泵，只有氧化锆元件20处于工作温度才输送氧气O2，并且泵流在氧化锆元件20的内侧和外侧之间流动。在本文中，泵单元12被设置用于至少一种气体的电还原。在这些操作条件下，氧化锆元件20充当离子导体和/或固体物质电解质。泵单元12的操作模式为选择性地将氧气O2从第一空间14中的气体混合物泵出进入到第二空间18中。在本文中，泵单元12被设置用于特定地和选择性地分离氧气O2。然而，原则上，泵单元12因此也可以用于特定地在第一空间14或第二空间18中积聚还原气体(图2和3)。
转移装置10还包括测量单元26。测量单元26被设置用于捕获在泵单元12的两侧28、30之间的电压差。测量单元26被设置用于捕获在面向第一空间14的第一侧28和面向第二空间18的泵单元12的第二侧30之间的电压差。为此目的，测量单元26包括电压计。测量单元26经由线路连接到泵单元12的第一电极50。此外，测量单元26经由线路连接到第三电极56。第三电极56被布置在氧化锆元件20背离中空空间46的外侧。然而，原则上，也可以想到按本领域技术人员认为有利的另一种方式布置第三电极56。第三电极56被布置在氧化锆元件20的开放端和第二电极52之间的氧化锆元件20的外侧上。第三电极56相对于第二电极52分离并且不具有与第二电极52的电连接。第三电极56被实施为环形并且围绕氧化锆元件20延伸。第三电极56被布置在氧化锆元件20和第二空间18之间。测量单元26被设置用于捕获在第一电极50和第三电极56之间的电压差。测量单元26被设置用于在电压差的基础上减去第一空间14和第二空间18之间的压力差。测量单元26被设置用于在电压差的基础上减去第一空间14a和第二空间18之间的部分压力差。除此之外，可以确定空间14、18的当前氧浓度和/或氧浓度的差异，特别是如果第一空间14中和/或第二空间中的氧分压是已知的(图2)。
设备16还包括控制和调节单元32。控制和调节单元32包括控制电子元件。控制和调节单元32被设置用于经由所述转移装置10调节在反应区域34外部的第一空间14中的绝对氧气部分分数。控制和调节单元32被设置用于将在反应区域34外部的在第一空间14中的绝对氧气部分分数调节至约为15％的值。控制和调节单元32被设置用于监视绝对氧气部分分数。控制和调节单元32使用转移装置10的测量单元26以监视绝对氧气部分分数。然而，原则上，也可以想到控制和调节单元32包括用于监视绝对氧气部分分数的单独的传感器。控制和调节单元32被设置用于经由所述转移装置10通过泵出氧气O2来调节在反应区域34外部的第一空间14中的绝对氧气部分分数。为此目的，控制和调节单元32被设置用于控制泵单元12的电源54。转移装置10的泵速率受所施加的额定电流的影响。转移装置的泵速率还受氧化锆元件20的几何形状，特别是表面的影响。使用所选择的几何形状，电源54的额定电流在操作期间变化以调整从第一空间14进入到第二空间18中所需的氧气转移速率并且将在第一空间14中的氧分压调节至预定值。原则上，泵的性能也可以经由另外的电操作参数，例如，工作温度进行调整。转移装置10的泵速率能够根据氧化锆元件20的尺寸并且根据泵流的强度在每天几毫升和每天几升之间的范围内变化。
图4示出了第一空间14中气体浓度测量记录的示例图，特别是不具有如上所述的调节。该图示出了以％计的空间14中随时间t变化的氧气浓度62和二氧化碳浓度66。在本文中，该图示出从光生物反应器单元36输出的氧气输出速率58、58’(dO2/dt)的变化，其分别由时间点t1和t2处的切线示出，取决于恒定的二氧化碳接收速率60、60’(dCO2/dt)，其分别以在第一空间14中的时间点t1和t2处的切线示出。在恒定的二氧化碳接收速率60的情况下，氧气输出速率58(dO2/dt)随着第一空间14中的氧气浓度62的增加而下降。在使用氮气N2和添加的二氧化碳CO2进行的第一空间14的第一示例性清洗过程64之后，摩尔氧气输出速率58等于摩尔二氧化碳接收速率60(dCO2/dt)。可以观察到这种行为直到在第一空间14中的氧气浓度62约为15％为止。高于此值时，氧气输出速率58(dO2/dt)显著下降。因此，如果将反应区域14外部的第一空间14中的氧气浓度62主动地保持在大约高达15％的降低的值，则可实现dCO2/dt＝-dO2/dt的比率，其关于其绝对值是等摩尔的。这产生大约15％的氧气浓度62的控制变量。
在操作设备16的方法中，经由转移装置10调节反应区域34外部的第一空间14中的绝对氧气部分分数。经由转移装置10将反应区域34外部的第一空间14中的绝对氧气部分分数调节至大约15％的值。为此目的，控制和调节单元32控制转移装置10。为此目的，控制和调节单元32控制转移装置10的泵单元12的电源54。由于施加到第一电极50和第二电极52的电压，第一空间14的氧气O2通过在充当阴极的第一电极50处吸收电子被还原成阴离子O2-。这个反应受到用作催化剂的电极50的铂的支持。然后，阴离子O2-通过在本文中充当离子导体和/或固体-物质电解质的氧化锆元件20迁移到第二电极52。在第二电极52处，阴离子O2-通过释放电子在第二空间18中反应回氧气O2(图3)。
原则上，该方法也可以在ISRU应用中执行。在本文中，该方法适用于基于行星上的原位资源利用(ISRU)应用从局部气体混合物和/或从局部固体分离和/或累积氧气。原则上，为此目的，设备16也可以包括替代的反应器。特别地，设备16可以包括用于物理化学、生物化学和/或生物过程的替代反应器，其特别地释放氧。
此外，原则上，该方法还可以在环境控制系统中执行。在本文中，该方法可以用于至少基本上是封闭的系统，例如，特别是航天器、飞机、登陆艇或水运工具中的压力和温度调节以及氧气供应。原则上，为此目的，设备16还可以包括替代的反应器。特别地，设备16可以包括用于物理化学、生物化学和/或生物过程的替代反应器。
转移装置10还用于监视和调整安全相关的操作状态。利用转移装置10的测量单元26，捕获泵单元12的两侧28、30之间的电压差。测量单元26在设备16的操作期间捕获泵单元12的面向第一空间14的第一侧28和面向第二空间18的第二侧30之间的电压差。此外，测量单元26在设备16的操作期间在电压差的基础上减去第一空间14和第二空间18之间的部分压力差(图3)。
可以在减小或增加重力的条件下实现该方法的性能。可以在局部重力值为10-6xg至高达10xg的外太空中执行该方法。特别地，该方法应用于外太空中，例如，以μg为单位用于太空船中，用于太空船中加速度为10-6xg至10xg的过程中，用在行星，例如火星上和/或用在天然卫星，例如月球上。然而，设备16和/或设备16的反应器也可以暴露于不同于给出的重力值的人为的过程加速度。因此，可以显著地增加重力值，例如，由于技术原因，例如增加至100xg。

Claims (19)

1.一种具有至少一个泵单元(12)的转移装置，所述泵单元(12)被设置用于在设备(16)，特别是光生物反应器设备的第一封闭空间(14)和与所述第一空间(14)相分离的第二空间(18)之间转移限定气体，
其特征在于，
所述至少一个泵单元(12)被实施为选择性氧气泵。
2.根据权利要求1所述的转移装置，
其特征在于，
所述至少一个泵单元(12)包括至少一个氧化锆元件(20)，其被设置用于氧气(O2)从所述第一空间(14)进入到所述第二空间(18)中的选择性转移。
3.根据权利要求2所述的转移装置，
其特征在于，
所述至少一个泵单元(12)包括至少一个加热元件(22)，其被设置用于加热所述至少一个氧化锆元件(20)。
4.根据权利要求2或3所述的转移装置，
其特征在于，
所述至少一个泵单元(12)的所述至少一个氧化锆元件(20)是由掺杂的氧化锆元件实现的。
5.根据权利要求2至4中的一项所述的转移装置，
其特征在于，
所述至少一个泵单元(12)的所述至少一个氧化锆元件(20)被设置根据泵流的极性，用于所述第一空间(14)和所述第二空间(18)之间的双向氧气转移。
6.根据前述权利要求中的一项所述的转移装置，
其特征在于，
所述至少一个泵单元(12)被设置用于特定地和选择性地分离氧气(O2)。
7.根据前述权利要求中的一项所述的转移装置，
其特征在于，
所述至少一个泵单元(12)在处于至少一种操作状态下被设置用于至少一种气体的电还原。
8.根据前述权利要求中的一项所述的转移装置，
其特征在于，
所述至少一个泵单元(12)被设置用于所述第一空间(14)和/或所述第二空间(18)中还原气体的累积。
9.根据前述权利要求中的一项所述的转移装置，
其特征在于，
至少一个测量单元(26)，其被设置用于捕获在所述泵单元(12)的至少两侧(28、30)之间的电压差。
10.根据权利要求9所述的转移装置，
其特征在于，
所述至少一个测量单元(26)被设置用于在所述电压差的基础上减去所述第一空间(14)和所述第二空间(18)之间的压力差。
11.一种具有根据前述权利要求中的一项所述的转移装置(10)的设备。
12.根据权利要求11所述的设备，
其特征在于，
控制和/或调节单元(32)，其被设置用来经由所述转移装置(10)控制和/或调节在反应区域(34)外部的所述第一空间(14)中的绝对氧气部分分数。
13.根据权利要求11或12所述的设备，
其特征在于，
至少一个光生物反应器单元(36)，其被设置用于接收馈入的二氧化碳(CO2)，经由光合作用产生氧气(O2)并且输出氧气(O2)。
14.一种用于操作根据权利要求11至13中的一项所述的设备(16)的方法。
15.根据权利要求14所述的方法，
其特征在于，
经由所述转移装置(10)控制和/或调节在反应区域(34)外部的所述第一空间(14)中的绝对氧气部分分数。
16.根据权利要求14或15所述的方法，
其特征在于，
所述转移装置(10)用于监视和/或调整至少一种安全相关的操作状态。
17.根据权利要求14至16中的一项所述的方法，
其特征在于，
在减小或增加重力的条件下实现性能。
18.根据权利要求14至17中的一项所述的方法，
其特征在于，
在ISRU应用中的性能。
19.根据权利要求14至17中的一项所述的方法，
其特征在于，
在环境控制系统中的性能。
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