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Die
Erfindung betrifft Freiluftphotobioreaktoren mit artifiziellen Strahlungsquellen.
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Freiluftphotobioreaktoren
werden insbesonders zur Massenproduktion von Mikroalgen und Makroalgen,
von photosynthetischen Bakterien, von Moosen oder anderen Pflanzenzellkulturen
eingesetzt. Derartige Mikroalgen und Cyanobakterien sind in der
Lage, mit Hilfe von Lichtenergie, CO2 und
Wasser in Biomasse umzuwandeln (Photosynthese). Mikroalgen können
in verschiedene Klassen eingeteilt werden. Die vier wichtigsten
Klassen sind Bacillariophyceae (Diatoms), Chlorophyceae (Grünalgen),
Cyanophyceae (Blaualgen) und Chrysophyceae (Goldalgen). Bacillariophyceae
und Chrysophyceae fixieren CO2 in Form von
Kohlenhydraten und natürlichen Ölen. Blaualgen
fixieren neben CO2 auch Stickstoff aus der
Atmosphäre. CO2 als Kohlenstoffquelle
für die Algenkultivierung kann dabei als Luft, als mit
CO2 angereicherte Luft, als CO2-haltiges
Abgas oder als reines CO2 in den Photobioreaktor
zugeführt werden. Solche Photobioreaktoren können
auch zur CO2-Entfernung aus Abgasen eingesetzt
werden.
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Die
Massenproduktion von Algenbiomasse als Nahrungsmittel, nachwachsender
Energie- oder Chemierohstoff wird wegen der im Vergleich zum Produktwert
verhältnismäßig hohen Stromkosten heute
bevorzugt in Flachwassser-Algenfarmen oder offenen Bioreaktoren
unter ausschließlicher Nutzung der direkten Sonnenlichteinstrahlung
durchgeführt. Aufgrund der Robustheit von für
die Massenproduktion eingesetzter Algen, ist deren Handhabung in
offenen Becken oder innerhalb, von durch Pontons oder Bojen abgegrenzten,
schwimmenden Begrenzungen möglich und erfordert keinen
geschlossenen Reaktor. Die offenen Bioreaktoren bestehen im allgemeinen
aus großen offenen flachen Beckenanlagen, z. B. Rundbeckenanlagen
mit Durchmessern bis zu 45 m, und umlaufenden Mischarmen oder großen
offenen flachen Gerinneschleifen mit Umwälzpropellern.
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Die
Sonnenlichtabsorption im Süß-, Salz- oder Meerwasser
erlaubt aber nur kurze Lichtweglängen von wenigen Zentimetern
bis Dezimetern und erfordert daher für die Massenproduktion
einen sehr grossen Flächenbedarf der Algenfarmen, da mit
zunehmender Tiefe die Lichteinstrahlung abnimmt und man daher nur
mit relativ flachen Becken arbeiten kann. Da außerdem die
Algen in der Nacht, mangels Sonnenlichteinstrahlung, ihre Photosyntheseaktivität einstellen
und durch ihren Respirationsstoffwechsel bis zu 30% der tagsüber
gebildeten Biomasse wieder veratmen, wird der Nettoflächenertrag
zusätzlich begrenzt.
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Aus
der
WO-A 91/18970 ist
die Ausleuchtung von Algenreaktoren mittels LEDs oder Lasern bekannt.
Die
WO-A 2007/070452 beschreibt
mit LEDs bestückte Panels als Lichtquellen für
Photobioreaktoren. In der
JP-A
10-98964 werden mit LEDs bestückte Acrylglaszylinder
als Lichtquelle zur Ausleuchtung von Tanks mit Algenkulturen beschrieben. Aus
der
JP-A 2002-315569 sind
mit LEDs bestückte Acrylglasscheiben als Lichtquelle für
Algenkulturen bekannt. LED-Leuchtkörper, welche in flexible,
transparente Materialien, insbesondere auf Acrylatbasis, eingeschlossen
sind, werden in der
JP-A
11-89555 als Lichtquellen zur Kultivierung von Algen eingesetzt.
Die
JP-A 2000-325073 beschreibt
einen zweigeteilten Tank zur Algenaufzucht, welcher mittels einer
transparenten und mit LEDs bestückten Acrylplatte geteilt
wird.
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Es
bestand daher die Aufgabe, Freiluftphotobioreaktoren zur Verfügung
zustellen, mit möglichst gleichmäßigem
Lichteintrag im Reaktorvolumen, und gleichmäßigem
Lichteintrag unabhängig von der Tages- und Jahreszeit,
um damit den Flächenertrag zu steigern.
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Gegenstand
der Erfindung sind Freiluftphotobioreaktoren mit artifiziellen Strahlungsquellen,
dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungsquellen ein oder mehrere
aus der Gruppe enthaltend mit LEDs bestückte Formteile,
Lichtleiter, lumineszierende Formteile eingesetzt werden, welche
im Innern des Reaktors angeordnet sind.
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Die
Freiluftphotobioreaktoren können beliebige Formgestalt
aufweisen. Bei im Freiland aufgestellten Freiluftphotobioreaktoren
sind beispielsweise rechteckige Wannen, runde Becken, oder ganz
oder teilweise in den Boden eingelassene Becken denkbar. Die Seitenwände
oder Böden der Reaktoren können aus beliebigen
Materialien, lichtdurchlässigen oder nicht transparenten,
gefertigt sein. Beispielsweise aus Metall oder Kunststoff.
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Die
Freiluftphotobioreaktoren können auch in Binnengewässern
oder auf dem offenen Meer errichtet werden. Auch hier sind beliebige
Formgestalten möglich. Die Seitenwände oder Böden
der Reaktoren können starr oder flexibel sein, beispielsweise aus
Folie ausgeführt sein. Auch hierzu können beliebige
Materialien wie Metall oder Kunststoff eingesetzt werden. Die Seitenwände
können fest im Boden verankert werden oder schwimmend in
Form von Folien gebildet werden. Die Bodenflächen können
durch den See- oder Meeresgrund gebildet werden oder starr bzw.
flexibel als Folie mit schwimmenden Seitenwänden verbunden
sein. In einer besonderen Ausführungsform können
Seiten und/oder Bodenflächen durch ein Filtermedium gebildet
werden, das für die Algen eine Transportbarriere darstellt,
aber für Wasser, Luft oder CO2 durchlässig
ist.
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Die
Dimensionierung ist beliebig und kann von Seitenlängen
bzw. Durchmessern von wenigen Metern bis zu 100 m betragen, vorzugsweise
bis zu 30 m. Während bei Errichtung der Freiluftbioreaktoren
im Freiland die Tiefe im allgemeinen 1 bis 2 m nicht überschreiten
wird, sind der Tiefe der Reaktoren bei Errichtung in Binnengewässern
oder auf dem Meer weniger Grenzen gesetzt. Es sind Tiefen von einem
Meter bis zu 100 Metern denkbar, vorzugsweise Tiefen bis zu 30 Metern.
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In
Binnengewässern oder Offshore erfolgt die Verankerung der
Freiluftphotobioreaktoren vorzugsweise an Masten, Pfeilern, Bojen,
Pontons oder auch Offshore-Plattformen, die gleichzeitig Trägerfunktion
für erneuerbare Energieerzeugungssysteme, wie Photovoltaik
oder Windenergie, und gegebenenfalls Energiespei chersysteme übernehmen.
In einer besonderen Ausführungsform kann der Freiluftphotobioreaktor
auch durch die Tanks von großen Tankschiffen begrenzt werden.
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Bei
küstennahen Freiluftphotobioreaktoren werden diese, zur
Verankerung mittels Verspannungen, bevorzugt höhenregulierbar,
an wasserbaulich erstellten Begrenzungswänden oder fest
im Boden verankerten Stützen fixiert. Die Zwischenabstützung großer
Flächen erfolgt in Tidengewässern bevorzugt an
schwimmenden Bojen oder Pontons.
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Die
Freiluftphotobioreaktoren können offen sein oder mit, vorzugsweise
transparenten, Folien oder Platten abgedeckt sein. Als Abdeckung
eignen sich auch schwimmende Folien mit integrierten Fresnel-Linsen
und daran angeordneten Lichtleitern. Geeignet sind auch Folien,
welche mit einer dünnen Photovoltaik-Schicht beschichtet
sind oder Folien aus organischem Photovoltaik-Material. Die damit tagsüber
aufgefangene Energie kann über ein Speichermedium an LED-Formkörper
weitergegeben werden.
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Der
Lichteintrag in den Freiluftphotobioreaktor erfolgt neben der Sonneneinstrahlung
mittels artifizieller Strahlungsquellen. Es können mit
LEDs bestückte Formteile eingesetzt werden. Geeignete LEDs
sind strahlungsemittierende Halbleiterbauelemente von organischen
oder anorganischen Halbleitern. Bei den LEDs kann es sich um bereits
mit Kunststoff, meist Silicon, verkapselte Dioden oder um unverkapselte
Dioden handeln. Die LEDs können im Infrarot-Bereich, im
sichtbaren Bereich oder im UV-Bereich strahlen. Die Auswahl hängt
von der beabsichtigten Anwendungen ab. Für die Photosynthese
in Freiluftphotobioreaktoren werden LEDs bevorzugt, welche im sichtbaren
Bereich strahlen, insbesondere rotes Licht. Die in dem Formkörper
eingebetteten LED-Leuchtkörper können bei gleicher
Wellenlänge emittieren. Es können aber auch LED-Leuchtkörper
mit unterschiedlicher Strahlungscharakteristik miteinander kombiniert
werden. Im allgemeinen sind mehrere LED-Leuchtkörper miteinander
leitend verbunden, in Reihe und/oder parallel geschaltet. Die Leuchtkörperanordnung
kann mit Sensoren verbunden sein, sowie mit Mess/Steuerungseinrichtungen. Die
Anzahl der Leuchtkörper und deren Anordnung zueinander
hängt von deren Anwendung ab. Die LED-Leuchtkörper
können kontinuierlich oder gepulst betrieben werden.
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Die
mit LEDs bestückten Formteile können aus beliebigen
Materialien gefertigt sein, welche bei der eingestrahlten Wellenlänge
transparent sind. Beispiele sind thermoplastische oder duroplastische Kunststoffe
wie Acrylglas, Polyethylen, Polypropylen, PVC, Polyamide, Polyester
wie PET. Geeignet ist auch Quarzglas. Bevorzugt werden LED-Silicon-Formteile
eingesetzt wie sie in der
DE-A 10 2007 025 749 beschrieben werden. Bei
diesen LED-Formteilen sind die LEDs in einer Siliconmatrix eingebettet,
welche aus einer inneren weichen Siliconmatrix gebildet wird, weiche
von einer oder mehreren härteren Siliconmatrices umgeben
ist.
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Geeignete
artifizielle Strahlungsquellen sind auch Lichtleiter. Ein Lichtleiter
ist eine Faser aus einem transparenten, lichtdurchlässigen
Material, meist Glas oder Kunststoff, die dem Transport von Licht
oder Infrarotstrahlung dient. Beispiele für Lichtleiter
sind Lichtwellenleiter, Glasfasern, polymere optische Fasern oder
andere lichtleitende Bauteile aus Kunststoff sowie Faseroptik-Komponenten.
Geeignet sind auch phosphoreszierende Lichtleiter, welche Licht über
viele Stunden speichern können, und das tagsüber
aufgenommene Sonnenlicht, während der Nacht abgeben können.
Die Lichtleiter sind so ausgerüstet, dass das Licht gleichmäßig über
die gesamte Ausdehnung des Lichtleiters abgegeben wird. Gegebenenfalls
können die Lichtleiter mit einer Linse, beispielsweise
einer Fresnel-Linse, ausgerüstet werden, um das Licht vor
Einleitung in den Lichtleiter zu bündeln und zu verstärken.
Der Einsatz von Lichtleiter-Formteilen als Strahlungsquelle neben LED-Formteilen
ist beim Betrieb am Tag vorteilhaft.
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Bei
den Lichtleitern werden solche auf der Basis von Thermoplastischen
Silicon-Elastomeren (TPSE) bevorzugt. Thermoplastische Siliconelastomere
enthalten einen Organopolymeranteil, beispielsweise Polyurethan
oder Polyvinylester, und einen Siliconanteil, meist auf Basis von
Polydialkylsiloxan-Basis der obengenannten Spezifikation. Geeignete
Thermoplastische Siliconelastomere sind im Handel erhältlich,
beispielsweise die entsprechenden GeniomerR-Typen
der Wacker Chemie.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Lichtleiter
am Kopf mit einer Fresnel-Linse, mit vorzugsweise bis zu 1000-facher
Sonnenlichtverstärkung, ausgestattet und leiten das Licht in
die Tiefe des Freilichtphotobioreaktors. Durch geeignete Formgebung,
beispielsweise über Prismen, kann das Licht gleichmäßig
an die Umgebung abgegeben werden.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform werden
die Lichtleiter mit schwimmenden Folien kombiniert, welche mit integrierten Fresnel-Linsen
ausgestattet sind. Die Lichtleiter werden an der Unterseite der
Folien angeordnet und leiten das mit der Fresnel-Linse eingefangene
Licht nach unten in die Tiefe. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform
sind auch Folien mit integrierten LEDs.
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Die
Formgestalt der LED-Formteile und der Lichtleiter ist beliebig.
Sie können in Form von Schläuchen vorliegen, als
Bänder, als Rohre, als Stäbe, als Platten, als
Prismen oder in Form von Matten. Platten, Matten oder Bänder
werden, insbesondere bei LED-Formteilen als Strahlungsquelle, vorzugsweise
dazu eingesetzt um die Innenwände des Freiluftphotobioreaktors
mit Strahlungsquellen auszustatten. Die Ausgestaltung in Form von
Rohren, Stäben, Prismen oder Schläuchen bietet
sich für den Einbau von Strahlungsquellen im Reaktorinnenraum an.
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Zur
gleichmäßigen Versorgung mit Licht im Innenraum
können mehrere LED-Formteile, die von dem Reaktorinhalt
umströmt werden und beispielsweise als Rohre, Schläuche
oder Platten ausgebildet sind, als Rohr-, Schlauch- oder Plattenbündel
zu Lichteinbauten zusammengefasst werden. Die Leuchtkörper
können in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
in einer solchen Weise zueinander versetzt angeordnet werden (z.
B. verdrillt), dass sie den Umgebungsraum vollständig und
homogen ausleuchten. Der Freiluftphotobioreaktor kann auch LED-Formteile
in Röhren- oder Plattenform enthalten, die von dem Reaktorinhalt
durchströmt werden. Dabei können mehrere Rohre
oder Platten zu Rohr- oder Plattenbündel zusammengefasst
werden. Die Dimensionierung der LED-Formteile oder der Lichtleiter-Formteile
ist beliebig und kann der Reaktorgröße angepasst
werden.
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Die
artifiziellen Strahlungsquellen können in den Freiluftphotobioreaktor
fest eingebaut werden. Bevorzugt werden bei Freiluftphotobioreaktoren,
insbesondere bei Offshore-Photobioreaktoren, die Strahlungsquellen
an Verspannungen netzartig in großer Anzahl angeordnet.
Mit einer solchen Anordnung lassen sich große Flächen
bis in Wassertiefen von mehreren Metern bis 100 Metern gleichmäßig ausleuchten.
Die Eckpunkte der Verspannungen können an fest im Boden
verankerten Masten oder Pfeilern, an wasserbaulich, tief-, hoch-,
apparate- bzw. schiffbaulich erstellten Becken- bzw. Tankwänden
oder aber an schwimmend verankerten Bojen oder Pontons befestigt
sein.
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Der
Abstand zwischen den LED-Formteilen und/oder den Lichtleiterformteilen
kann durch unterstützende Lichtverteilung im Inneren eines
Freilichtphotobioreaktors mit lumineszierenden Formteilen, beispielsweise
lumineszierenden Lichtcarrier-Partikeln erhöht werden.
Bevorzugt werden lumineszierende Silicon-Schwebekörper
mit eingestellter optimaler Wellenlänge und minimaler Dichtedifferenz zum
wässrigen Medium. Diese lumineszierenden Silicon-Schwebekörper
bestehen bevorzugt aus einem oder mehreren lumineszierenden Stoffen
in einer Siliconmatrix aus beispielsweise thermoplastischen Siliconelastomeren
wie in
EP 1412416 B1 oder
EP 1489129 B1 beschrieben.
Solche lumineszierende Lichtcarrierpartikel zirkulieren im Freiluftphotobioreaktor,
wobei sie sich an der Wasseroberfläche mit Licht aufladen,
nach unten sinken und das Licht in der Tiefe abgeben. Auch ist der
Lichteintrag allein oder in Kombination durch lumineszierende Formteile
oder Folien möglich, die mechanisch über einen Antrieb
geführt, Licht von der Wasseroberfläche in die
Tiefe transportieren. Lumineszierende Lichtcarrierpartikel können
zur Lichtaufladung auch durch einen externen Loop geführt
werden. Als artifizielle Strahlungsquelle können auch ausschließlich
lumineszierende Formteile, insbesondere lumineszierende Schwebekörper
eingesetzt werden.
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Der
Freiluftphotobioreaktor ist mit Einrichtungen zur Befüllung
bzw. zur Zufuhr von Nährstoffen und Zufuhr von CO2-haltigen Gasen ausgestattet. Weitere Einrichtungen
sind solche zur Produktabtrennung, beispielsweise mittels Pumpen
oder Rechen, und Entleerung.
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Als
CO2-Quelle geeignet sind Luft, mit CO2 angereicherte Luft, CO2-haltiges
Abgas oder reines CO2. In einer bevorzugten
Ausführung werden die CO2-haltigen
Gase, beispielsweise Luft oder CO2-haltige
Abluft, von unten in den Freiluftphotobioreaktor, über
die Fläche verteilt, zugegeben. Durch die höhere,
grundflächensparende Bauweise der offenen Freiluftphotobioreaktoren
wird im Falle am Grund eingeleiteter Luft, CO2-haltiger
Luft oder reinem CO2 eine längere
Gasverweilzeit eingestellt (die Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasblasen
bleibt gleich) und dadurch eine wesentlich bessere CO2-Abreicherung
bzw. Ausnutzung erreicht. Darüberhinaus reduziert bzw.
verhindert ein tieferes Becken den Verdunstungsverlust bei Wasser,
was insbesondere in wasserarmen (ariden) küstenfernen Regionen
der Erde vorteilhaft ist.
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Besonders
bevorzugt ist die Kombination der mit artifiziellen Strahlungsquellen
ausgerüsteten Freiluftphotobioreaktoren mit Anlagen zur
regenerativen Stromerzeugung. Vorzugsweise werden die Freiluftphotobioreaktoren
mit dezentral, unmittelbar an den Reaktoren, erzeugtem Strom aus
Photovoltaik-Anlagen, Windkraftanlagen oder Gezeitenkraftwerken
versorgt. Weiter wird die Kombination mit Anlagen zur Tag/Nacht-Stromspeicherung
bevorzugt, dadurch wird die Abhängigkeit von der direkten
Sonnenlichteinstrahlung reduziert.
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Bei
Offshore-Installation der Freiluftphotobioreaktoren wird Photovoltaik-Strom
bevorzugt, welcher besonders bevorzugt durch Hochleistungssolarzellen
erzeugt wird, die mit, durch Fresnel-Linsen bis zu mehr als 1000-fach
verstärktem, Sonnenlicht versorgt werden.
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Besonders
bevorzugt ist die Kombination der Freiluft-Photobioreaktoren mit
Offshore-Windenergieparks, wobei die Fläche der Windenergieparks
mit einer Wassertiefe von wenigen Metern bis wenigen 10 Metern zur
Installation der Freiluft-Photobioreaktoren genutzt wird, und die
Masten der Windenergieanlagen für die Fixpunkte der Seitenwände
und netzartigen Verspannung der LED-Formteile und Lichtleiter oder
der Folien mit integrierten LEDs oder Lichtleitern genutzt werden.
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Durch
Speicherung des am Tag oder bei starkem Wind regenerativ erzeugten Überschußstroms
und dessen Abgabe bei Nacht oder Windstille wird eine tageszeitliche
Vergleichmäßigung und Intensivierung der Algenproduktion
erreicht.
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Das
hier beschriebene Konzept der Beleuchtung mit artifiziellen Strahlungsquellen
kann auch zur Ausrüstung von bestehenden Algenfarmen mit
künstlicher Beleuchtung genutzt werden. Es können
auch mehrere Freiluftphotobioreaktoren kombiniert werden, beispielsweise
zur Schaffung von großflächigen Algenfarmen.
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Durch
die optimierte konstruktive Anordnung einer großen Anzahl
von LED-Formteilen oder Lichtleitern, flächenmäßig
gleichmäßig verteilt über große Freiluftphotobioreaktoren,
beispielsweise Algenfarmen, wird eine wirtschaftliche Massenproduktion
von Algenbiomasse ermöglicht. Mit den LED-Formteilen kann
eine Vielzahl von LEDs zu Reaktorleuchteinbauten zusammengefasst
werden, die somit eine optimale Beleuchtung einer Algenfarm und
Steigerung des Flächenertrags wirtschaftlich ermöglicht.
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Aufgrund
der Einbettung der LEDs in eine Matrix werden Fouling und Belagsbildung
deutlich reduziert.
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Die
Freiluftphotobioreaktoren können zur autotrophen und heterotrophen
Massenproduktion von Algenbiomasse, sowie zur Produktion von Wertstoffen
aus Algenbiomasse wie Proteinen, Vitaminen, pharmazeutischen Wirkstoffen,
Lipiden, sowie Öl aus CO2, Wasser
und mineralischen Nährstoffen, eingesetzt werden. Weitere
Anwendungen sind die mixotrophe Produktion von Wertstoffen unter
Zufütterung organischer Kohlenstoffquellen und die Entfernung von
CO2 aus Kraftwerks- oder Industrieabgasen.
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Die
so hergestellt Algenbiomasse eignet sich als Energierohstoff, Chemierohstoff,
Nahrungsmittel, und zum Einsatz in kosmetischen und medizinischen Anwendungen.
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Die
Erfindung wird in 1 bis 2 beispielhaft
erläutert:
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1:
Freiluftphotobioreaktor, in der Ausgestaltung einer Hochleistungsalgenfarm,
mit LED-Formteilen und Lichtleitern mit Fresnellinsenkopf im Wechsel,
netzartig aufgespannt zwischen Pontons als Hochleistungsphotovoltaik-Modulträger und
Energiespeicher.
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2:
Freiluftphotobioreaktor, in der Ausgestaltung einer Hochleistungsalgenfarm,
mit LED-Formteilen und Lichtleitern mit Fresnellinsenkopf im Wechsel,
netzartig aufgespannt zwischen den Masten eines Offshore-Windenergieparks
als Generatorträger und Energiespeicher.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 91/18970
A [0005]
- - WO 2007/070452 A [0005]
- - JP 10-98964 A [0005]
- - JP 2002-315569 A [0005]
- - JP 11-89555 A [0005]
- - JP 2000-325073 A [0005]
- - DE 102007025749 A [0015]
- - EP 1412416 B1 [0023]
- - EP 1489129 B1 [0023]