DE102007050484A1

DE102007050484A1 - Anordnung und Verfahren zur dreidimensionalen Verteilung von Licht in einem flüssigen Medium

Info

Publication number: DE102007050484A1
Application number: DE102007050484A
Authority: DE
Inventors: Hilmar Franke; Christian Schneider; Armed Wagner
Original assignee: Universitaet Duisburg Essen
Current assignee: Universitaet Duisburg Essen
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2007-10-19
Publication date: 2008-11-13
Also published as: WO2008135276A2; WO2008135276A3; EP2155853A2

Abstract

Es werden eine Anordnung und ein Verfahren zur dreidimensionalen Verteilung von Licht in einem flüssigen Medium, wie einer Algensuspension, und/oder zur Erzeugung von Biomasse vorgeschlagen. Licht, insbesondere Sonnenlicht, wird mittels Lichtleitfasern in einen Behälter mit dem Medium geleitet. Das Licht wird dreidimensional im Behälter verteilt. Hierzu enden die Fasern in verschiedenen Raumbereichen innerhalb des Behälters. Alternativ oder zusätzlich wird das Licht über Gasblasen eingeleitet, wobei das Gas insbesondere über hohle Lichtleitfasern zugeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur dreidimensionalen Verteilung von Licht in einem flüssigen Medium, wie einer Algensuspension, und/oder zur Erzeugung von Biomasse sowie eine Verwendung einer derartigen Anordnung oder eines derartigen Verfahrens zur Verwandlung von Kohlendioxid in Biomasse.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich insbesondere mit der Nachahmung der Photosynthese zur Bindung von Kohlendioxid. Es ist bekannt, hierzu eine Algensuspension zu beleuchten, um das Wachstum der Algen anzuregen. Die Algen verbrauchen Kohlendioxid zum Wachstum und zur Bildung von Biomasse. Um möglichst alle Algen in der Algensuspension mit Licht und Kohlendioxid zu versorgen, kann die Algensuspension sehr stark umgewälzt und/oder die Oberfläche der Algensuspension möglichst groß gestaltet werden. Dies kann jedoch anlagenmäßig und/oder verfahrenstechnisch bzw. energetisch aufwendig sein.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur dreidimensionalen Verteilung von Licht in einem flüssigen Medium, wie einer Algensuspension, und/oder zur Erzeugung von Biomasse sowie eine Verwendung einer derartigen Anordnung bzw. eines derartigen Verfahrens zur Verwandlung von Kohlendioxid in Biomasse anzugeben, wobei ein einfacher Aufbau, ein einfacher, kostengünstiger und/oder energiesparender Verfahrensablauf und/oder eine hohe Effektivität ermöglicht wird bzw. werden.
Die obige Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 15, durch ein Verfahren gemäß Anspruch 20 oder 39 oder durch eine Verwendung gemäß Anspruch 40 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung liegt darin, lichtleitende Fasern zur Zuleitung des Lichts zu verwenden. Dieses Faserkonzept führt insbesondere zu zwei Vorteilen.
Der Transport von Licht zu dem flüssigen Medium kann über größere Längen, beispielsweise von einigen 100 m, erfolgen. So ist es beispielsweise möglich, Lichtkollektoren oder -sammler, wie Kollektorspiegel, zur Konzentration von Sonnenlicht einzusetzen, um größere Mengen von Licht zu sammeln und dem flüssigen Medium zuzuleiten.
Weiter gestatten die Fasern eine dreidimensionale Beleuchtung des flüssigen Mediums, also eine dreidimensionale Verteilung des Lichts in dem flüssigen Medium. Das Licht wird also in verschiedene Raumbereiche, insbesondere Tiefen, innerhalb des Mediums verteilt.
Die dreidimensionale Verteilung des Lichts bzw. Beleuchtung des Mediums erfolgt also im Gegensatz zu der bisher üblichen zumindest im wesentlichen zweidimensionalen Beleuchtung von einer Oberfläche oder Seite her nun tatsächlich dreidimensional und damit mit wesentlich verbesserter Verteilung und Effektivität.
Zur dreidimensionalen Verteilung des Lichts ist gemäß einer Ausführungsvariante vorgesehen, daß die Fasern in verschiedenen Raumbereichen, insbesondere Tiefen, vorzugsweise vertikal versetzt, in dem flüssigen Medium enden. So kann eine insbesondere baumartige bzw. optimale Verteilung des Lichts in dem flüssigen Medium in einem gewünschten räumlichen Beleuchtungsbereich erreicht werden.
Eine weitere, auch alternativ oder unabhängig realisierbare Ausführungsvariante sieht vor, daß das Licht mittels Gasblasen in dem flüssigen Medium dreidimensional verteilt wird. Die Zuführung des Gases und des Lichts erfolgt vorzugsweise gleichzeitig über Hohlfasern.
Eine vorschlagsgemäße Verwendung der Anordnung bzw. des Verfahrens zeichnen sich dadurch aus, daß ein flüssiges Medium mit Algen, wie eine Algensuspension, verwendet wird, wobei Licht in dem Medium dreidimensional verteilt wird und wobei Kohlendioxid in Form von Gasblasen in das Medium eingeleitet wird, um das Wachstum und/oder die Vermehrung der Algen anzuregen und dadurch Biomasse zu bilden. So kann eine sehr effektive Bildung von Biomasse und/oder Bindung von Kohlendioxid erfolgen.
Weitere Aspekte, Vorteile und Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer vorschlagsgemäßen Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine schematische Darstellung einer vorschlagsgemäßen Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
3 einen schematischen, nicht maßstabsgerechten Schnitt einer lichtleitenden Faser der Anordnung gemäß 2;
4 einen schematischen, nicht maßstabsgerechten Schnitt einer anderen lichtleitenden Faser der Anordnung gemäß 2; und
5 eine schematische Darstellung einer vorschlagsgemäßen Anordnung gemäß einer dritten Ausführungsform.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Komponenten, Bauteile und dgl. die gleichen Bezugszeichen verwenden. Insbesondere ergeben sich entsprechende oder vergleichbare Vorteile, auch wenn eine wiederholte Beschreibung weggelassen ist.
1 zeigt in einer schematischen, nicht maßstabsgerechten Darstellung eine vorschlagsgemäße Anordnung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Anordnung 1 dient der dreidimensionalen Verteilung von Licht 2 (schematisch in 1 angedeutet) in einem flüssigen Medium 3.
Bei dem Medium 3 handelt es sich insbesondere um eine Suspension oder dergleichen. Dementsprechend ist der Begriff "flüssig" in einem weiten Sinne zu zu verstehen, so daß insbesondere Suspensionen, Dispersionen oder sonstige Gemische oder Stoffe mit flüssigen Phasen oder Anteilen umfaßt sind.
Das Medium 3 ist vorzugsweise photoaktiv und/oder biologisch aktiv. Insbesondere kann in dem Medium 3 eine Photosynthese oder eine sonstige Licht 2 benötigende Reaktion ablaufen. Insbesondere enthält das Medium 3 hierzu eine biologisch aktive Spezies, insbesondere Algen, sonstige Bakterien oder dergleichen.
Insbesondere ist das Medium 3 wäßrig bzw. enthält Wasser und/oder stark lichtbestreuend.
Besonders bevorzugt wird eine Algensuspension als Medium 3 eingesetzt. Insbesondere enthält das Medium 3 eine Algenmischkultur, die vorzugsweise zumindest in ähnlicher Form in Flüssen, Teichen oder dergleichen vorkommt. Derartige Mischkulturen sind nämlich besonders resistent gegen Umwelteinflüsse, Krankheiten und/oder sonstige Störungen.
Da die Anordnung 1 vorzugsweise mit Algen bzw. mit einer Algensuspension als Medium 3 eingesetzt wird, wird der folgenden Beschreibung primär auf das durch das eingeleitete Licht 2 induzierte Algenwachstum abgestellt. Jedoch gelten diese Ausführungen entsprechend auch für sonstige Spezies oder photo- bzw. bioaktive Medien 3.
Die Anordnung 1 weist lichtleitende Fasern 4 zur Zuleitung des Lichts 2 auf. Bei der ersten Ausführungsform enden mehrere oder alle Fasern 4 in verschiedenen Raumbereichen, insbesondere zumindest teilweise in unterschiedlichen Tiefen und/oder Vertikalebenen, in dem Medium 3. Dies gestattet eine dreidimensionale Verteilung des Lichts 2 in dem Medium 3, wie in 1 beispielhaft, nur schematisch angedeutet.
Besonders bevorzugt enden die Fasern 4 in verschiedenen Ebenen innerhalb des Mediums 3. Jedoch können die Fasern 4 auch alle unterschiedlich oder unregelmäßig enden.
Ausgehend von einem Bündel (Hauptbündel) 5 von Fasern 4 erfolgt insbesondere eine Verzweigung oder Verästelung in Einzelbündel 6 und/oder Einzelfasern 4, wie in 1 beispielhaft angedeutet. Um eine optimale Verteilung des Lichts 2 in dem Medium 3 zu erreichen, enden die Fasern 4 vorzugsweise einzeln, also separat voneinander in dem Medium 3. Jedoch können auch mehrere Fasern 4 zusammen, beispielsweise als Einzelbündel 5, in dem Medium 3 enden.
Das Licht tritt zumindest im wesentlichen oder ausschließlich am Ende der jeweiligen Faser 4 aus und beleuchtet das Medium 3 im jeweiligen Raumbereich, wie durch Striche in 1 angedeutet.
Je nach Biegung bzw. Krümmung, Material, Oberfläche, Oberflächenaufrauhung oder dergleichen können die Fasern 4 auch mehr oder weniger Licht seitlich entlang der jeweiligen Faser 4 abgeben. Auch so kann eine optimierte dreidimensionale Verteilung von Licht 2 in dem Medium 3 erfolgen. Bei entsprechender Ausgestaltung der Fasern 4 ist es sogar möglich, daß zumindest im wesentlichen das Gesamtlicht bereits über die im Medium 3 verlaufenden Längen der jeweiligen Faser 4 seitlich abgegeben wird und gegebenenfalls nur noch ein verhältnismäßig geringer Anteil am Ende der jeweiligen Faser 4 in das Medium 3 abgestrahlt wird. In diesem Fall verlaufen die Fasern 4 vorzugsweise im wesentlichen über längere Strecken parallel zueinander oder beispielsweise gewendelt oder mäanderförmig durch das Medium 3 und können gegebenenfalls sogar alle in einer Ebene oder Tiefe in dem Medium 3 enden.
Versuche haben gezeigt, daß die Lichtaustrittsflächen – insbesondere also die Enden – der Fasern 4 von den Algen nicht besiedelt werden. Dementsprechend ist keine übermäßige Reinigung oder Befreiung von Algen erforderlich. Vielmehr ergibt sich ein selbstorganisierendes System, das möglichst effizient das eingeleitete Licht 2 zum Algenwachstum ausnutzt.
Die Fasern 4 können lose in das Medium 3 eintauchen bzw. in dieses hineinhängen, gegebenenfalls auch als Bündel 5 oder 6, die sich dann insbesondere verzweigen.
Vorzugsweise weist die Anordnung 1 insbesondere gitter- oder stangenartige Halterungen 7 in dem Medium 3 auf, die insbesondere in verschiedenen Ebenen oder Tiefen angeordnet sind, um die Fasern 4 bzw. Bündel 5, 6 zu halten oder zu führen.
Besonders bevorzugt bilden die Halterungen 7 Zwischenböden in einem Behälter oder Tank 8 mit dem Medium 3, um die Fasern 4 oder Bündel 5 oder 6 in verschiedenen Raumbereichen innerhalb des Mediums 3 enden zu lassen.
Bedarfsweise können die Fasern 4 bzw. Bündel 5, 6 zumindest in Endbereichen im Medium 3, insbesondere durch eine Strömung des Mediums 3, beweglich sein.
Die Zuführung oder Einleitung der Fasern 4 bzw. Bündel 5/6 erfolgt vorzugsweise von oben, beim Ausführungsbeispiel durch eine obere Halterung oder Abdeckung 9 oder dergleichen.
Die Fasern 4 bzw. Bündel 5/6 erstrecken sich vorzugsweise zumindest im wesentlichen vertikal von oben nach unten im Medium 3. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Dichte der Fasern 4 größer als die Dichte des Mediums 3 ist, diese also nicht aufschwimmen.
Jedoch ist es grundsätzlich auch möglich, daß sich die Fasern 4 bzw. Bündel 5/6 von unten nach oben in das Medium 3 und/oder auf sonstige Weise – beispielsweise quer – in das Medium 3 erstrecken oder zumindest abschnittsweise derart geführt sind.
Die Fasern 4 bestehen vorzugsweise aus Kunststoff, Glas oder einem sonstigen zur Lichtleitung geeigneten Material oder Aufbau. Insbesondere können auch Verbundwerkstoffe oder Verbundaufbauten, beispielsweise mit Beschichtungen, verwendet werden.
Alternativ – also auch unabhängig – oder zusätzlich zu der dreidimensionalen Verteilung des Lichts 2 im Medium 3 durch die Fasern 4 gestatten die Fasern 4 bzw. Bündel 5/6 eine optimierte Zuführung des Lichts 2.
Beim Darstellungsbeispiel wird vorzugsweise Sonnenlicht zur Beleuchtung des Mediums 3 bzw. der Algen eingesetzt, auch wenn grundsätzlich jedes sonstige Licht verwendet werden kann. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, daß der Begriff "Licht" vorzugsweise in einem weiten Sinne dahingehend zu verstehen ist, daß nicht nur sichtbares Licht, sondern beispielsweise alternativ oder zusätzlich auch Infrarot-Licht und/oder ultraviolettes Licht entsprechend dem Medium 3 zugeführt werden kann. Generell kann die Energiezuführung über die Fasern 4 des Medium 3 auch anderen Zwecken als der beim Darstellungsbeispiel vorgesehenen Photosynthese und/oder Anregung des biologischen Wachstums und/oder der Umwandlung von Kohlendioxid in Biomasse dienen.
Die Anordnung 1 weist vorzugsweise eine Lichtsammeleinrichtung, insbesondere einen Kollektorspiegel 10, zum Auffangen von Sonnenlicht auf, wie in 1 schematisch dargestellt. Das aufgefangene Sonnenlicht oder sonstiges Licht von einer sonstigen Beleuchtungseinrichtung kann dann über die Fasern 4 bzw. insbesondere ein Bündel 5 oder 6 zu dem Behälter bzw. Tank 8 mit dem Medium 3 mit insbesondere sehr geringen Verlusten geleitet werden. Insbesondere sind so Zuleitungen von mehreren 100 m möglich. Dies ist insbesondere bei großem Lichtbedarf sehr vorteilhaft, da entsprechend große Flächen, Lichtsammeleinrichtungen oder dergleichen erforderlich sind und/oder entsprechende bauliche Gegebenheiten berücksichtigt werden müssen und/oder können. Insbesondere ist es so möglich, den Behälter bzw. Tank 8 mit dem Medium 3 in einem nicht dargestellten Gebäude oder dergleichen unterzubringen und beispielsweise trotzdem Sonnenlicht zur Beleuchtung einzusetzen.
Die Anordnung 1 weist vorzugsweise eine Einrichtung 11 zur Einleitung von Gas, das insbesondere Kohlendioxid enthält oder daraus besteht, auf. Beispielsweise kann Rauchgas, Klärgas, Faulgas, Luft oder dergleichen eingeleitet werden. Beim Darstellungsbeispiel weist die Einrichtung 11 insbesondere einen Boden, ein Sieb 12 oder ein sonstiges geeignetes Einleitungsmittel auf, um das Gas insbesondere in Form von Gasblasen 13 in das Medium 3 einzuleiten bzw. abzugeben, wie in 1 schematisch angedeutet.
Die Gaszuleitung oder -einleitung erfolgt insbesondere bodenseitig und/oder in einer gewissen Tiefe, vorzugsweise von mindestens 5 bis 6 m, um einen guten Gasaustausch bzw. eine gute Versorgung des Mediums 3 und damit der Algen mit dem Gas zu ermöglichen.
Bedarfsweise wird das Gas oberhalb des Mediums 3 – beim Darstellungsbeispiel beispielsweise oberhalb der Abdeckung 9 oder innerhalb des Behälters bzw. Tanks 8 abgesaugt und wieder über die Einrichtung 11 zugeleitet, also rezirkuliert, um eine besonders gute Ausnutzung bzw. einen besonders guten Abbau des Gases, insbesondere des Kohlendioxids, zu erreichen.
Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform der vorschlagsgemäßen Anordnung 1 und des Verfahrens zur dreidimensionalen Verteilung von Licht in dem Medium 3 und/oder zur Erzeugung von Biomasse anhand des Schemas gemäß 2 näher erläutert. Insbesondere werden nur wesentliche Unterschiede gegenüber der ersten Ausführungsform beschrieben, so daß die bisherigen Ausführungen und Erläuterungen insbesondere entsprechend oder ergänzend gelten.
Bei der ersten Ausführungsform verzweigen sich die Fasern 4 bzw. Bündel 5, 6 insbesondere baumartig, um das Licht 2 in verschiedenen Raumbereichen innerhalb des Mediums 3 – also dreidimensional – in dem Medium 3 zu verteilen. Bei der zweiten Ausführungsform ist alternativ oder ergänzend vorgesehen, daß das Licht über Gasblasen 13 eingeleitet und insbesondere dreidimensional in dem Medium 3 verteilt wird. Die Einleitung bzw. Erzeugung der Gasblasen 13 erfolgt vorzugsweise über hohle Fasern 4, kann aber auch auf sonstige Weise erfolgen.
Bei der zweiten Ausführungsform sind die Fasern 4 zur Zuleitung des Lichts 2 vorzugsweise zumindest abschnittsweise und/oder teilweise hohl ausgebildet, um nicht nur das Licht 2, sondern auch das Gas gleichzeitig zuführen zu können. Insbesondere erfolgt eine Lichtleitung im Mantel der hohlen Fasern 4, die in 2 schematisch, nicht maßstabsgerecht angedeutet sind.
Beim Einleiten des Gases in das Medium 3 bilden sich die Gasblasen 13. Die Gasblasen 13 weisen vorzugsweise anfänglich eine Größe von im wesentli chen 1 bis 10 μm, insbesondere 2 bis 5 μm, auf. Bei dieser Größe bilden die Gasblasen 13 besonders geeignete Resonanzkörper für das aufzunehmende Licht.
Die hohlen Fasern 4 geben gleichzeitig das Licht an ihren Enden in den Bereichen ab, in denen die Gasblasen 13 gebildet werden. So können die Gasblasen 13 quasi mit Licht 2 "gefüllt" werden. Es wird eine Art Nebel oder Wolke leuchtender Gasblasen 13 erzeugt.
Die leuchtenden Gasblasen 13 – beispielhaft ist eine leuchtende Gasblase 13 in einer Ausschnittsvergrößerung in 2 dargestellt – wandern durch das Medium 3 nach oben. Hierbei werden die Gasblasen 13 aufgrund des abnehmenden Flüssigkeitsdrucks tendenziell größer. Andererseits kann sich das Gas im Medium 3 lösen bzw. von den Algen oder dergleichen aufgenommen werden, so daß die Gasblasen 13 dementsprechend tendenziell kleiner werden. Diese beiden Effekte können sich gegebenenfalls etwa kompensieren, so daß die Größe der Gasblasen 13 zumindest weitgehend gleichbleibt.
Um die gewünschte Gasblasengröße zu erreichen bzw. deren Bildung zumindest zu unterstützen, erfolgt die Einleitung des Gases vorzugsweise in einer Tiefe von etwa 3 bis 50 m, vorzugsweise 5 bis 10 m, in das Medium 3.
Die Einleitung des Gases erfolgt wiederum wie bei der ersten Ausführungsform vorzugsweise bodenseitig bzw. von unten.
Zur Formung der Gasblasen 13 bzw. Manipulation der Größen der Gasblasen 13 kann bedarfsweise ein Sieb 12 oder dergleichen eingesetzt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die gewünschte Gasblasengröße sehr einfach durch entsprechende Wahl des Innendurchmessers der hohlen Fasern 4 beeinflußt werden.
3 und 4 zeigen beispielhaft zwei mögliche, unterschiedliche Querschnitte der hohlen Fasern 4, jeweils in schematischer, nicht maßstabsgerechter Darstellung.
Bei der Ausführungsvariante gemäß 3 handelt es sich um eine sogenannte Band-Gap-Faser. Die Gasführung erfolgt vorzugsweise ausschließlich über den Innen- bzw. Zentralkanal 14, bedarfsweise jedoch auch über die weiteren peripheren Hohlkanäle 15 dieser Faser 4. In diesem Fall erfolgt die Lichtleitung dann nur im Mantel der Faser 4.
Alternativ oder zusätzlich kann die Lichtleitung über die peripheren Hohlkanäle 15 erfolgen.
4 zeigt eine "herkömmliche" Hohlfaser 4. Die Gaszuführung erfolgt hier über den Zentralkanal 14. Die Lichtleitung erfolgt im Mantel der Faser 4.
Um die gewünschte Gasblasengröße zu erreichen, beträgt der Innendurchmesser I der hohlen Fasern 4 bzw. Zentralkanäle 14 vorzugsweise höchsten 10 μm, insbesondere im wesentlichen 5 bis 9 μm.
Die Anordnung 1 bzw. Einrichtung 11 weist beim Darstellungsbeispiel vorzugsweise eine Zuführeinrichtung 16 insbesondere mit einem unter Gasdruck stehendem Gehäuse auf, um das Gas in die hohlen Fasern 4 einzuleiten und das Licht 2 in die Fasern 4 einzukoppeln.
Das Gas wird beispielsweise über eine Pumpe 17 oder dergleichen zugeführt und tritt insbesondere stirnseitig in die Kanäle 14 bzw. 15 ein.
Das Licht 2 wird beispielsweise über lichtleitende Fasern 4 bzw. ein Faserbündel 6 oder dergleichen – insbesondere wiederum von einer Lichtsammeleinrichtung, wie dem in 2 nur schematisch angedeuteten Kollektorspiegel 10 oder von einer sonstigen Beleuchtungseinrichtung oder dergleichen – zugeführt bzw. zugeleitet. 2 zeigt die Ankopplung nur sehr schematisch. Insbesondere wird das Licht stirnseitig in die Anfänge der hohlen Fasern 4 eingeleitet.
Dem Behälter oder Tank 8 bzw. dem Medium 3 ist vorzugsweise eine Umwälzeinrichtung, wie eine Umwälzpumpe 18, ein Rührwerk oder dergleichen, zugeordnet. So kann eine ausreichende und insbesondere das Wachstum för dernde Bewegung des Mediums 3 bzw. der Algensuspension sichergestellt werden.
5 zeigt in einer schematischen Darstellung eine dritte Ausführungsform der vorschlagsgemäßen Anordnung 1 bzw. Einrichtung 11. Hier erfolgt die Erzeugung und Einleitung der Gasblasen 13 vorzugsweise über ein Gitter, ein Sieb 12 einen Lochboden oder dgl. Insbesondere kann es sich auch um einen Zwischenboden handeln. So können die bei der zweiten Ausführungsform aufgrund der hohlen Fasern 4 auftretenden Druckverluste bei der Zuführung des Gases vermieden oder zumindest minimiert werden.
Bei der zweiten und dritten Ausführungsform erfolgt insbesondere die Lichteinkopplung in die Gasblasen 13 dadurch, daß das Gas durch kleine Löcher oder Kanäle in einem optisch transparenten bzw. lichtleitenden Material geleitet wird und beim Austritt die Gasblasen 13 bildet und Licht 2 aufnimmt.
Besonders bevorzugt ist das Sieb 12 bzw. der Lochboden aus einer Platte, und/oder transparentem Material vorzugsweise Kunststoff, insbesondere mit einer Dicke von etwa 3 bis 10 mm, hergestellt. Die Platte weist vorzugsweise eine Vielzahl kleiner Löcher mit einem Durchmesser von höchstens 50 μm auf. Das Gas tritt durch diese Löcher hindurch in das Medium 3 ein. Die Beleuchtung erfolgt vorzugsweise durch das transparente Plattenmaterial und/oder gasseitig. Über die Länge der Löcher bzw. Bohrungen – also über die Dicke der Platte – werden quasi "hohle Lichtwellenleiter" mit dem strömenden Gas als Innenraum und der Bodenplatte als optischem Mantel gebildet. So können die entstehenden Gasblasen 13 optisch an das Lichtfeld bzw. Licht 2 ankoppeln bzw. umgekehrt kann so das Licht 2 von den Gasblasen 13 aufgenommen werden.
Bei der dritten Ausführungsform gelten ansonsten die Erläuterungen und Anmerkungen zur zweiten Ausführungsform insbesondere entsprechend oder ergänzend. Insbesondere kann wieder ein Kollektorspiegel 10 oder jede sonstige geeignete Beleuchtungseinrichtung zur Zuleitung von Licht – optional wieder über Faserbündel 6 oder dgl. – eingesetzt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das Licht 2 jedoch auch auf sonstige Art und Weise, insbesondere ggf. auch seitlich, in die optisch lichtdurchlässige bzw. transparente Platte mit den Löchern, über die das Gas in das Medium 3 zur Bildung der Gasblasen 13 eingeleitet wird, angekoppelt werden.
Bei der dritten Ausführungsform können bedarfsweise auch zusätzlich an einigen Stellen des Bodens Rohre oder sonstige Vorsprünge, Verlängerungen oder dgl., beispielsweise mit einer Länge von etwa 1 bis 2 m, angebracht werden oder nach oben abragen bzw. vorspringen bzw. angeschlossen sein, in denen Lichtleitkabel geführt werden. Die Stirnfläche dieser Rohre kann dann beispielsweise mit einer Lochkonstruktion bzw. einem Aufbau, wie die Bodenplatte ausgebildet werden. So kann die Begasung und Belichtung des Reaktorvolumens bzw. des Mediums 3 vergleichmäßigt werden. Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere Zwischenböden, die entsprechend der zweiten oder dritten Ausführungsform ausgebildet sind und beispielsweise in unterschiedlichen Höhen bzw. Tiefen angeordnet oder versetzt werden, eingesetzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante werden wesentlich kleinere Gasblasen 13 gebildet. Der anfängliche Durchmesser der Gasblasen 13 beträgt beispielsweise 0,1 bis 10 μm, vorzugsweise weniger als 1 μm, insbesondere im wesentlichen 0,2 bis 0,6 μm.
Derartig kleine Gasblasen 13 können insbesondere durch Einleitung in einer entsprechenden Tiefe, beispielsweise etwa 50 m oder mehr, in das Medium 3 erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann das Medium 3 auch unter Druck gesetzt werden.
Besonders bevorzugt erfolgt die Einleitung des Gases bei einem Druck des Mediums 3 von etwa 50 bis 800 kPa. Besonders bevorzugt beträgt der Druck des Mediums 3, bei dem das Gas eingeleitet wird, mindestens etwa 500 kPa und mehr, um sehr kleine Gasblasen 13 zu bilden.
Aufgrund der geringen Größe der Gasblasen 13 ist es möglich, diese durch direkte Belichtung mit Licht, insbesondere Sonnenlicht, zu Resonanzabsorption anzuregen, so daß das Licht beim Aufsteigen der Gasblasen 13 ins Reaktorin nere bzw. nach oben durch das Medium 3 transportiert wird. Die Belichtung der Gasblasen 13 kann insbesondere wieder über Lichtleitfasern 4 und/oder auf sonstige Art und Weise erfolgen.
Es ist anzumerken, daß die Gasblasen 13 Resonatoren für das eingestrahlte Licht 2 bilden können. Die Resonanzfrequenzen hängen von dem Durchmesser der Gasblasen 13 ab. Um nicht nur monochromatisches Licht aufnehmen zu können, werden vorzugsweise Gasblasen 13 mit unterschiedlichen Durchmessern, insbesondere mit einem das zugeführte Lichtspektrum abdeckenden Durchmesserspektrum, erzeugt.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen kann die Photosynthese mittels einer technischen Einrichtung nachgeahmt werden, nämlich aus Kohlendioxid und Wasser unter Einwirkung von Licht Biomasse bzw. CH₂O-enthaltene Verbindungen und Sauerstoff zu erzeugen. Dementsprechend kann die vorschlagsgemäße Anordnung 1 auch als Bioreaktor, insbesondere als faseroptischer Photo-Bioreaktor arbeiten bzw. bezeichnet werden.
Besonders bevorzugt wird Sonnenlicht verwendet, das insbesondere mittels Konzentratoren, Kollektorspiegeln 10 oder dergleichen gesammelt und dem Medium 3 zugeleitet und insbesondere in dieses eingeleitet wird, wie bereits anhand der beiden Ausführungsformen erläutert. Alternativ oder zusätzlich kann das Sonnenlicht auch durch ein Netz von Fluoreszenzfasern gesammelt werden.
Das konzentrierte Sonnenlicht oder sonstiges Licht wird vorzugsweise in optische Lichtleitfasern – bei der vorliegenden Erfindung kurz als 4 bezeichnet – eingespeist und insbesondere in Form eines Bündels 5/6 dem Bioreaktor, hier also dem Behälter bzw. Tank 8 mit dem Medium 3, zugeleitet.
Besonders bevorzugt kann die Algensuspension im gesamten Reaktorvolumen, also im gesamten Behälter 8, mittels der Fasertechnik beleuchtet werden. Insbesondere erfolgt dies dadurch, daß die Fasern 4 in unterschiedlichen Raumbereichen im Behälter 8 enden bzw. sich verzweigen, wie anhand der ersten Ausführungsform erläutert. Alternativ oder zusätzlich kann die räumliche Verteilung des Lichts 2 in dem Medium 3 auch mittels Gasblasen 13, insbe sondere durch einen Nebel aus leuchtenden Bläschen erfolgen, wie anhand der zweiten Ausführungsform erläutert.
Damit wird eine dreidimensionale Beleuchtung erreicht. Bei herkömmlicher Beleuchtung von einer Seite bzw. zumindest im wesentlichen nur aus einer Ebene wird wegen der hohen Schwächungskonstante der Algensuspension hingegen nur eine Zone von wenigen mm Eindringtiefe erreicht.
Wie bereits erläutert, kommt den Lichtleitfasern bei der vorliegenden Erfindung eine zweifache Bedeutung zu. Die einzelnen Effekte können auch unabhängig voneinander eingesetzt bzw. ausgenutzt werden.
Erstens dienen die Fasern 2 einem effektiven Lichttransport über große Längen. Bei großen anfallenden Kohlendioxidmengen, wie bei einem Kohlekraftwerk, wird sehr viel Licht zur Kohlendioxid-Bindung benötigt. Das erfordert entsprechend große Flächen zum Sammeln des Sonnenlichts mit entsprechend langen Transportwegen von über einigen 100 m.
Zweitens dienen die Lichtleitfasern 4 der Ausleuchtung eines dreidimensionalen Volumens im Behälter 4. Dies erfolgt durch die vorzugsweise baumartige Verzweigung und/oder mittels der Gasblasen 13.
Diesen Prinzipien machen die Anordnung 1 bzw. den Bioreaktor skalierbar.
Die beschriebene Erfindung soll helfen, das Kohlendioxidproblem zu lösen. Insbesondere sind die vorschlagsgemäße Anordnung 1 und das vorschlagsgemäße Verfahren zum Abbau von Kohlendioxid aus dem Rauchgas fossiler Kraftwerke geeignet.
Zum Abbau von Kohlendioxid aus Rauchgas kann das Rauchgas gegebenenfalls einfach von unten in den Behälter 8 eingeblasen werden, wie bei den beiden Ausführungsformen angedeutet.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß nicht nur Kohlendioxid abgebaut bzw. gebunden werden kann, sondern daß die erzeug te Biomasse auch als Rohmaterial für Brennstoff, Bioethanol, Biodiesel oder dergleichen verwendet werden kann.
Die starke Streuung des Mediums 3 unterstützt eine zumindest weitgehend gleichmäßige oder vollständige Ausleuchtung des Mediums 3 bzw. des Behälters 8.
Es ist anzumerken, daß von dem Sonnenlicht bedarfsweise der IR-Anteil abgetrennt, und beispielsweise für sonstige Zwecke, insbesondere zur Trocknung der erzeugten Biomasse, wie der Algen, oder dergleichen, eingesetzt werden kann.
Wie bereits erwähnt, kann zusätzlich oder alternativ zu der Aussendung des Lichts an den Faserenden auch eine seitliche Abstrahlung erfolgen. Dies kann insbesondere durch entsprechend starke Krümmung der Fasern 4 erreicht werden. Bedarfsweise können die Fasern 4 dementsprechend auch stark gekrümmt, insbesondere gewendelt, in dem Medium 3 geführt sein oder verlaufen.
Es werden eine Anordnung und ein Verfahren zur dreidimensionalen Verteilung von Licht in einem flüssigen Medium, wie einer Algensuspension, und/oder zur Erzeugung von Biomasse vorgeschlagen. Licht, insbesondere Sonnenlicht, wird mittels Lichtleitfasern in einen Behälter mit dem Medium geleitet. Das Licht wird dreidimensional im Behälter verteilt. Hierzu enden die Fasern in verschiedenen Raumbereichen innerhalb des Behälters. Alternativ oder zusätzlich wird das Licht über das Blasen eingeleitet, wobei das Gas insbesondere über hohle Lichtleitfasern zugeführt wird.
Einzelne Merkmale und Aspekte der erläuterten Ausführungsformen und -varianten können auch beliebig miteinander kombiniert und/oder bei sonstigen Anordnungen oder Verfahren eingesetzt werden.

Claims

Anordnung (1) zur dreidimensionalen Verteilung von Licht (2) in einem flüssigen Medium (3) und/oder zur Erzeugung von Biomasse, mit lichtleitenden Fasern (4) zur Zuleitung des Lichts (2), wobei das Licht (2) in verschiedene Raumbereiche innerhalb des Mediums (3) verteilbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (3) photoaktiv und/oder biologisch aktiv ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (3) mindestens eine biologisch aktive Spezies, insbesondere Algen, enthält.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere oder alle Fasern (4) in verschiedenen und/oder nicht in einer Ebene liegenden Raumbereichen, insbesondere Tiefen, in dem Medium (3) enden.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) über vorzugsweise gitter- oder stangenartige Halterungen (7), insbesondere in verschiedenen Ebenen oder Tiefen, innerhalb des Mediums (3) gehalten sind.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) aus Glas oder Kunststoff hergestellt sind.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) zumindest im wesentlichen vertikal im Medium (3) verlaufen.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Bündel (6) der Fasern (4) in Einzelbündel (5) und/oder Einzelfasern (4) verzweigt, die in verschiedenen und/oder nicht in einer Ebene liegenden Raumbereichen, insbesondere Tiefen, in dem Medium (3) enden.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) und/oder Bündel (5, 6) zumindest in Endbereichen im Medium (3), insbesondere durch eine Strömung des Mediums (3), beweglich sind.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung eine Einrichtung (11) zur Einleitung von vorzugsweise Kohlendioxid enthaltendem Gas, insbesondere Kohlendioxid, Rauchgas, Klärgas, Faulgas oder Luft, in das Medium (3) aufweist.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) hohl ausgebildet und durch diese Gas und gleichzeitig das Licht (2) in das Medium (3) einleitbar ist.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) einen Innendurchmesser von höchstens 10 μm aufweisen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas blasenförmig einleitbar, verteilbar und/oder abgebbar ist.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht (2) von Gasblasen (13) aufnehmbar ist.
Anordnung (1) zur dreidimensionalen Verteilung von Licht (2) in einem flüssigen Medium (3) und/oder zur Erzeugung von Biomasse, insbesondere nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht (2) mittels Gasblasen (13) im Medium (3) verteilbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasen (13) anfänglich eine Größe von im wesentlichen 0,1 μm bis 10 μm, vorzugsweise etwa 1 bis 8 μm, insbesondere etwa 2 bis 5 μm, aufweisen.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas über einen Boden oder ein Sieb (12) und/oder in einer Tiefe von 3 bis 50 m, vorzugsweise 5 bis 10 m, und/oder bei einem Tiefe von 3 bis 50 m, vorzugsweise 5 bis 10 m, und/oder bei einem Druck des Medium (3) von etwa 50 bis 800 kPa in das Medium (3) einleitbar ist.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht (2) über ein vorzugsweise gemeinsames Faserbündel (5, 6) den Fasern (4) zuführbar ist.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (1) eine Lichtsammeleinrichtung, insbesondere einen Kollektorspiegel (10), zur Aufnahme von Sonnenlicht aufweist, das in das Medium (3) eingeleitet wird.
Verfahren zur dreidimensionalen Verteilung von Licht (2) in einem flüssigen Medium (3) und/oder zur Erzeugung von Biomasse, wobei das Licht (2) über Fasern (4) zugeleitet wird, die in verschiedenen Raumbereichen innerhalb des Mediums (3) enden, und/oder wobei das Licht (2) mittels Gasblasen (13) innerhalb des Mediums (3) verteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 20 dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (3) photoaktiv und/oder biologisch aktiv ist.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (3) mindestens eine biologisch aktive Spezies, insbesondere Algen, enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß Fasern (4) in verschiedenen Tiefen und vertikal versetzt in dem Medium (3) enden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) über vorzugsweise gitter- oder stangenartige Halterungen (7), insbesondere in verschiedenen Ebenen oder Tiefen, innerhalb des Mediums (3) gehalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) aus Glas oder Kunststoff hergestellt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (4) zumindest im wesentlichen vertikal im Medium (3) verlaufen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Bündel (5, 6) der Fasern (4) in Einzelbündel (5) und/oder Einzelfasern (4) verzweigt, die in verschiedenen Raumbereichen, insbesondere Tiefen, in dem Medium (3) enden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) und/oder Bündel (5, 6) zumindest in Endbereichen im Medium (3), insbesondere durch eine Strömung des Mediums (3), beweglich sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß Gas, insbesondere Kohlendioxid, Rauchgas, Klärgas, Faulgas oder Luft, in das Medium (3) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) hohl ausgebildet und durch diese Gas zur Bildung der Gasblasen (13) und gleichzeitig das Licht (2) in das Medium (3) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) einen Innendurchmesser (I) von höchstens 10 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht (2) von Gasblasen (13) aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasen (13) jeweils einen Resonanzraum für das Licht (2) bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasen (13) bodenseitig eingeleitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasen (13) anfänglich eine Größe von im wesentlichen 0,1 bis 10 μm, vorzugsweise etwa 1 bis 8 μm, insbesondere 2 bis 5 μm, aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasen (13) mittels eines Siebs (12) erzeugt oder geformt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasen (13) in einer Tiefe von 3 bis 50 m, vorzugsweise 5 bis 10 m, und/oder bei einem Druck des Medium (3) von etwa 50 bis 800 kPa in das Medium (3) eingeleitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht (2) über ein vorzugsweise gemeinsames Faserbündel (5, 6) den Fasern (4) zugeführt wird.
Verfahren insbesondere nach einem der Ansprüche 20 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß Sonnenlicht aufgenommen und als Licht (2) eingesetzt, insbesondere über die Fasern (4) zu dem und/oder in das flüssige Medium (3) geleitet wird.
Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 20 bis 39 zur Verwandlung von Kohlendioxid in Biomasse, wobei ein flüssiges Medium (3) mit Algen verwendet wird, wobei Licht (2) in dem Medium (3) dreidimensional verteilt wird und wobei kohlendioxidenthaltendes oder daraus bestehendes Gas in Form von Gasblasen (13) in das Medium (3) eingeleitet wird, um das Wachstum und/oder die Vermehrung der Algen anzuregen und dadurch Biomasse zu bilden.