DE102009015925A1 - Photobioreactor to cultivate and reproduce phototrophic organisms in liquid phase by reacting with gaseous, solid and/or liquid additive during illumination with sun- and/or artificial light, comprises controlling device and solar elements - Google Patents

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Abstract

The photobioreactor for the cultivation and reproduction of phototrophic organisms in liquid phase by reacting with gaseous, solid and/or liquid additives during illumination with sun- and/or artificial light for the extraction of biomass (5) and/or its metabolic products and the utilization of surplus light energy, comprises a device for controlling light transparency and heat input, and semi-transparent thin-film solar elements (1), which are opaque or light-impermeable and are transparent for photosynthetic-active radiation, where the energy-rich radiation coverts into electrical energy. The photobioreactor for the cultivation and reproduction of phototrophic organisms in liquid phase by reacting with gaseous, solid and/or liquid additives during the illumination with sun light and/or artificial light for the extraction of biomass (5) and/or its metabolic products and the utilization of surplus light energy, comprises a device for controlling light transparency and heat input, and semi-transparent thin-film solar elements (1), which are opaque or light-impermeable and are transparent for the photosynthetic-active radiation, where the energy-rich radiation coverts into electrical energy. The phototrophic organisms are microorganisms, algae, cyanobacteria or higher plant cells. The solar elements is provided on a base material with a screened coating and freely remaining zones, where only parts of the reactor wall are provided with opaque or light-impermeable solar elements and the freely remaining parts serve as window for the incidence of light. The light intensity acting on the reactor is controllably reduced by a specific nano-structured coating (2) of the reactor, which uses an electrochromic effect to color itself by applying an electric voltage and to influence the light transmission and the heat input, where the coating acts as a shading element. The entire reactor wall, the surfaces exposed to the light incidence or the parts of the reactor are provided with semi-transparent solar elements. The semi-transparent solar elements are geometrically structurally rigid or adapted as films flexible to the surface of the photobioreactor, and form an outer wall (3) of the bioreactor, are directly mounted on the outer side of the bioreactor or are introduced to the light-permeable bioreactor surface with an air gap, where the electrical energy produced by the semitransparent solar elements or solar cells is used for adjusting the determined operational parameter such as for controlling the light permeability, tempering the reactor contents or feeding into external network.

Description

Die Erfindung betrifft neue Photobioreaktoren für die Kultivierung und Vermehrung von phototrophen Organismen und/oder Bildung ihrer Stoffwechselprodukte in flüssiger Phase unter Zuhilfenahme zusätzlicher fester, flüssiger und/oder gasförmiger Stoffe bei Belichtung mit Sonnenlicht und/oder künstlichem Licht. Phototrophe Organismen können Mikroorganismen, Algen, Cyanobakterien oder höhere Pflanzenzellen sein.The The invention relates to new photobioreactors for cultivation and propagation of phototrophic organisms and / or formation of their Metabolites in the liquid phase with the help of additional solid, liquid and / or gaseous Substances exposed to sunlight and / or artificial light Light. Phototrophic organisms can be microorganisms, algae, Cyanobacteria or higher plant cells.

Bekannte Photobioreaktoren betreffen sowohl geschlossene Systeme unterschiedlicher Geometrie, u. a. tubulare oder so genannte „Flat-panel” Reaktoren, als auch offene Systeme (z. B. „open pond” – Becken/Teiche).Known Photobioreactors affect both closed systems of different Geometry, u. a. tubular or so-called "flat-panel" reactors, as well as open systems (eg "open pond" basins / ponds).

Die geschlossenen Systeme sind in der Regel gegenüber den Umweltbelastungen abgeschlossen (mit Ausnahme der für den Betrieb erforderlichen Zu- und Abführungen von Medien, Licht, Biomasse, etc.). Ihr Vorteil ist ein kontaminationsfreier und reproduzierbarer Betrieb der Anlagen. Die entsprechenden Photobioreaktoren müssen sowohl die Stofftransportvorgänge aus der gasförmigen und der flüssigen Phase in die partikuläre Phase der lebenden Zellen als auch den Lichtenergietransport durch die Bioreaktorwand und die fluide Strömung ermöglichen.The Closed systems tend to be more environmentally sensitive completed (with the exception of the necessary and discharges of media, light, biomass, etc.). you Advantage is a contamination-free and reproducible operation the plants. The corresponding photobioreactors must both the mass transfer processes from the gaseous and the liquid phase into the particulate phase the living cells as well as the light energy transport through the Bioreactor wall and allow the fluid flow.

Bekannte Photobioreaktoren nutzen dabei den so genannten ”Flashing-Light-Effekt”, der durch Erhöhung der Turbulenz in der flüssigen Phase erzielt wird und bewirkt, dass die Organismen nur kurzzeitig (ca. 1 Hz) der an der Reaktoraußenfläche vorherrschenden hohen inhibierenden Lichtintensität ausgesetzt sind. Das ist ausreichend für eine hohe Photosyntheseaktivität, da die aufgenommene Lichtenergie in den nachfolgenden Dunkelphasen umgesetzt werden kann, jedoch die Zellen nicht schädigt.Known Photobioreactors use the so-called "flashing light effect", by increasing the turbulence in the liquid Phase is achieved and causes the organisms only for a short time (about 1 Hz) of the prevailing at the reactor outer surface exposed to high inhibiting light intensity. The is sufficient for a high photosynthesis activity, since the recorded light energy in the subsequent dark phases can be implemented, but does not damage the cells.

In Anlagen mit horizontaler tubularer Anlagenstruktur wird durch eine entsprechende Flüssigkeitsströmung die Turbulenz erzeugt. Bei vertikalen zylindrischen oder flachen Air-Lift-Bioreaktoren (z. B. Flat-Panel) wird die Turbulenz durch aufsteigendes Reaktionsgas, meist CO2-haltiges Gas, erzeugt. Zur Erzielung der benötigten Turbulenzen ist jedoch ein hoher apparativer und energetischer Aufwand für die Flüssigkeitspumpen- bzw. die Gaskompressoren erforderlich (ca. 400 bis 2000 W pro m3 Reaktorinhalt).In systems with a horizontal tubular structure, the turbulence is generated by a corresponding liquid flow. In the case of vertical cylindrical or flat Air-Lift bioreactors (eg flat-panel), the turbulence is generated by ascending reaction gas, usually CO 2 -containing gas. To achieve the required turbulence, however, a high equipment and energy costs for the liquid pump or the gas compressors is required (about 400 to 2000 W per m 3 reactor contents).

Allen bisher eingesetzten Photobioreaktoren, unabhängig ob ein horizontales tubulares System oder ein vertikales Air-Lift-Prinzip verwendet wird, ist gemeinsam, dass der Lichtenergieeintrag optimiert werden soll. Das heißt, es muss ein zu hoher Lichtenergieeintrag vermieden werden, da die Lichtenergie vorrangig in für die phototrophen Organismen schädliche Wärmeenergie umgewandelt wird.all previously used photobioreactors, regardless of whether one horizontal tubular system or a vertical air-lift principle is used in common is that the light energy input optimized shall be. That is, it must be too high a light energy input be avoided, since the light energy primarily in for the phototrophic organisms harmful thermal energy is converted.

Für die zur Biomasse und Stoffproduktion in technologischen Prozessen eingesetzten phototrophen Organismen beträgt die inhibierende Lichtintensität ca. 2.000 μmol/m2s, der optimale Bereich ca. 200 bis 400 μmol/m2s und bei einer Lichtintensität kleiner 25 μmol/m2s wird die Photosynthese limitiert.For the phototrophic organisms used for biomass and material production in technological processes, the inhibiting light intensity is about 2,000 μmol / m 2 s, the optimum range is about 200 to 400 μmol / m 2 s and at a light intensity less than 25 μmol / m 2 s limits the photosynthesis.

An vielen Standorten der Erde ist aber die für die Photosynthese wirksame solare Strahlung höher als die von den Zellen zur Produktion von Biomasse bzw. deren Stoffwechselprodukten benötigte Lichtintensität.At But many sites on earth are responsible for photosynthesis effective solar radiation higher than that of the cells required for the production of biomass or their metabolites Light intensity.

So werden z. B. die Photobioreaktoren für die Mikroalge Chlorella sp. mit einer Lichtintensität von 180 μmol/m2s und die Cyanobakterien Spirulina sp. mit einer Lichtintensität von 50 μmol/m2s betrieben. Das Tageslicht erreicht aber sogar in Deutschland bei direkter Bestrahlung eine Lichtintensität von ca. 2000 μmol/m2s.So z. For example, the photobioreactors for the microalgae Chlorella sp. with a light intensity of 180 μmol / m 2 s and the cyanobacteria Spirulina sp. operated with a light intensity of 50 .mu.mol / m 2 s. But even in Germany, daylight reaches a light intensity of approx. 2000 μmol / m 2 s under direct irradiation.

Dieses Problem der Photoinhibition bei bisherigen Photobioreaktoren besteht z. B. bei Algen, wenn diese über eine lange Zeitdauer Licht ausgesetzt sind. Um die Photosynthese zu stabilisieren, werden nach dem Stand der Technik entweder die Organismen durch Zirkulation in der Tiefe der Suspension abgeschattet oder der Reaktor wird durch mechanische Elemente zeitweise abgedunkelt.This There is a problem of photoinhibition in previous photobioreactors z. In algae, if they light over a long period of time are exposed. In order to stabilize the photosynthesis, they are after the prior art either the organisms by circulation shadowed in the depth of the suspension or the reactor is controlled by mechanical Elements darkened at times.

In WO1997/011154 wird ein Photobioreaktor für die Kultivierung von Algenbiomasse mit CO2 Gasen beschrieben, in dem die Abschattung einer stationären dünnen Algenschicht (0,1–5 mm), die sich auf Vliesbahnen befindet, durch deren Rotation in einem Gestell mit fester Abdeckung und freien Fenstern erreicht wird. Durch den hohen mechanischen Aufwand zur permanenten Drehung des gesamten Reaktors sind hier nur Anwendungen für kleine Volumina möglich.In WO1997 / 011154 describes a photobioreactor for the cultivation of algae biomass with CO 2 gases in which the shading of a stationary thin algal layer (0.1-5 mm), which is located on nonwoven webs, achieved by their rotation in a frame with a solid cover and clear windows becomes. Due to the high mechanical complexity for permanent rotation of the entire reactor, only small volume applications are possible here.

Die mit hoher Turbulenz nach dem Stand der Technik ausgerüsteten tubularen oder „Flat-panel”-Photobioreaktoren können z. B. für Mikroalgen nur mit mechanisch unempfindlichen Spezies betrieben werden, da die durch die Turbulenz hervorgerufenen Scherkräfte die Mikroalgen schädigen.The equipped with high turbulence according to the prior art tubular or "flat-panel" photobioreactors can z. B. for microalgae only with mechanical insensitive species are operated because of the turbulence Shearing forces that damage the microalgae.

In WO2000/061719 wird ein Photobioreaktor angegeben, der durch Oberflächenvergrößerung einen verbesserten Lichteintrag aufweist. Die Lichtverteilung wird hier durch eine starke Turbulenz erreicht, wodurch die Algen zum Licht gebracht werden. Dies wird durch eine oberflächenvergrößernde Geometrie des Reaktorraums, insbesondere durch Glasfortsätze, die sich auf der Reaktorrauminnenwand befinden, verstärkt. Die Dauer der Beleuchtungsphasen soll durch die Häufigkeit des Lichtkontaktes, das heißt durch die die Scherkräfte erzeugende Turbulenz entsprechend gesteuert werden. Die Energiedichte in dem Reaktorraum soll weiterhin durch die Verwendung so genannter Wellenlängenschieber erhöht werden. Durch den Wellenlängenschieber wird ein Lichtanteil der Strahlung in das Frequenzband verschoben, das von den eingesetzten phototrophen Mikroorganismen absorbierbar ist. Die Wellenlängenverschiebung soll hierbei durch Fluoreszenzstoffe bewirkt werden, die nach Absorption von Licht wieder Licht in einem anderen Wellenlängenbereich abstrahlen. Dazu ist vorgesehen, dass die Fluoreszenzstoffe in einem Trägermaterial vorliegen, das als Schicht mit der Reaktoroberfläche verbunden ist oder der Organismensuspension beigemischt wird.In WO2000 / 061719 a photobioreactor is specified, which has an improved light input due to surface enlargement. The light distribution is here achieved by a strong turbulence, whereby the algae are brought to the light. This is reinforced by a surface-enlarging geometry of the reactor space, in particular by glass extensions, which are located on the reactor chamber inner wall. The duration of the lighting phases should be controlled by the frequency of light contact, that is, by the shearing forces generating turbulence accordingly. The energy density in the reactor space should continue to be increased by the use of so-called wavelength shifter. By the wavelength shifter, a light portion of the radiation is shifted into the frequency band which is absorbable by the phototrophic microorganisms used. In this case, the wavelength shift is to be effected by fluorescent substances which, after absorption of light, emit light in another wavelength range. For this purpose, it is provided that the fluorescent substances are present in a carrier material, which is connected as a layer with the reactor surface or the organism suspension is added.

In WO2008/079724 wird eine Beschichtung des Photobioreaktors mit einem Farbstoff ausgeführt, der die Übertragung eines Teils des sichtbaren ultravioletten oder infraroten Lichtes verhindert, um Photosynthese nicht zu blockieren. Diese Wellenlängenschieber realisieren jedoch nur eine festgelegte Frequenzverschiebung und sind nicht steuerbar.In WO2008 / 079724 a coating of the photobioreactor is carried out with a dye which prevents the transmission of a portion of the visible ultraviolet or infrared light, so as not to block photosynthesis. However, these wavelength shifters realize only a fixed frequency shift and are not controllable.

Der Erfindung lag daher das Problem zu Grunde, einen Photobioreaktor zu schaffen, bei dem der Lichteintrag so begrenzt und/oder geregelt werden kann, dass die phototophen Organismen im Reaktor keiner Licht und/oder Temperaturinhibierung ausgesetzt sind, aber genügend Photonen für das Wachstum der Organismen und/oder ihrer Stoffwechselprodukte akkumulieren können, und zugleich aus der überschüssigen Lichtenergie elektrische Energie gewonnen wird.Of the The invention was therefore based on the problem of a photobioreactor to create, in which the light entry so limited and / or regulated can be that the phototopic organisms in the reactor no light and / or temperature inhibition but are sufficient Photons for the growth of organisms and / or theirs Metabolites can accumulate, and at the same time the excess light energy electrical energy is won.

Dieses Problem wird gemäß Patentanspruch 1 dadurch gelöst, dass die neuen Photobioreaktoren zur Kultivierung und Vermehrung von phototrophen Organismen in flüssiger Phase durch Umsetzung mit gasförmigen, festen und/oder flüssigen Zusatzstoffen bei Belichtung mit Sonnenlicht und/oder künstlichem Licht zur Gewinnung von Biomasse und/oder ihren Stoffwechselprodukten und zur Nutzung überschüssiger Lichtenergie mit einer Vorrichtung zur Steuerung der Lichtdurchlässigkeit und damit des Wärmeeintrages sowie semitransparenten Solarelementen zur Umwandlung überschüssiger Lichtenergie in elektrische Energie versehen sind.This Problem is solved according to claim 1 thereby that the new photobioreactors for cultivation and propagation of phototrophic organisms in the liquid phase by reaction with gaseous, solid and / or liquid additives at Exposure to sunlight and / or artificial light Extraction of biomass and / or its metabolites and to use excess light energy with a Device for controlling the light transmission and so that the heat input and semi-transparent solar panels to Conversion of excess light energy into electrical Energy are provided.

Phototrophe Organismen können Mikroorganismen, Algen, Cyanobakterien oder höhere Pflanzenzellen sein. Als essentielle gasförmige Komponente dient insbesondere CO2. Dieser neue Photobioreaktor kann dabei sowohl als horizontaler tubularer als auch als vertikaler Air-Lift-Bioreaktor gestaltet sein, Bedingung ist eine lichtdurchlässige äußere Reaktorwand. Mehrere Reaktor-Module mit semitransparenten Solarelementen können hydraulisch, pneumatisch und elektrisch in Serie geschaltet sein.Phototrophic organisms may be microorganisms, algae, cyanobacteria or higher plant cells. As an essential gaseous component is used in particular CO 2 . This new photobioreactor can be designed both as a horizontal tubularer as well as a vertical air-lift bioreactor, condition is a translucent outer reactor wall. Several reactor modules with semitransparent solar elements can be connected in series hydraulically, pneumatically and electrically.

Als semitransparente Solarelemente sind vorzugsweise semitransparente Dünnschicht-Solarelemente geeignet, insbesondere solche, die transparent für die photosynthetisch aktive Strahlung sind, während sie die energiereiche Strahlung des Lichtes absorbieren und in elektrische Energie umwandeln.When Semitransparent solar elements are preferably semitransparent Thin-film solar elements suitable, in particular those the transparent for the photosynthetically active radiation while absorbing the high-energy radiation of light and convert it into electrical energy.

Geeignet sind aber auch opake oder lichtundurchlässige Solarelemente mit einer gerasterten Beschichtung und freibleibenden Zonen auf dem Basismaterial oder wenn nur Teile der Reaktorwand mit opaken oder lichtundurchlässigen Solarelementen versehen sind und die freibleibenden Teile als Fenster für den Lichteintritt dienen.Suitable but are also opaque or opaque solar elements with a screened coating and remaining zones the base material or if only parts of the reactor wall with opaque or opaque solar elements are provided and the remaining parts as windows for the entrance of light serve.

Zur Steuerung der Lichtdurchlässigkeit und damit des Wärmeeintrages und des Wellenlängenbereiches dient beispielsweise eine nanostrukturierte elektrochrome Beschichtung des Reaktors, an die eine elektrische Spannung angelegt wird. Über eine zentrale Steuerung, z. B. über ein Bussystem, erfolgt eine geregelte Abschattung des Reaktors. Dazu sind bereits 3 Volt ausreichend.to Control of light transmission and thus of heat input and the wavelength range serves, for example, a nanostructured electrochromic coating of the reactor to which a electrical voltage is applied. About a central Control, z. B. via a bus system, there is a regulated Shading of the reactor. 3 volts are enough for that.

Vorzugsweise wird diese Beschichtung als nanostrukturierte elektrochrome Folie sandwichartig mit dem Dünnschichtsolarelement und/oder dem Photobioreaktor verbunden. Damit lässt sich die für ein optimales Wachstum der Organismen erforderliche Lichtintensität des einfallenden Lichtes gezielt regulieren und/oder modulieren.Preferably This coating is called nanostructured electrochromic film sandwiched with the thin film solar element and / or connected to the photobioreactor. This can be the for a optimal growth of the organisms required light intensity specifically regulate and / or modulate the incoming light.

Die Abschattung erlaubt, die Turbulenz der Suspension und den damit verbundenen Scherkrafteintrag in die Flüssigkeit zu verringern, da eine Schädigung der Organismen durch zu hohen Lichteinfall vermieden werden kann. Bei einer Lichttransmission zwischen 15 und 50% kann bei hohen Tagestemperaturen die Oberflächentemperatur des Reaktors auf unter 30 Grad Celsius gehalten werden.The Shading allows the turbulence of the suspension and the so reducing shear force input into the fluid, as damage to the organisms by excessive light is avoided can be. At a light transmission between 15 and 50% can at high daytime temperatures the surface temperature of the Reactor to be kept below 30 degrees Celsius.

Der neue Photobioreaktor ermöglicht eine signifikante Verbesserung des Wachstums der Organismen bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen, da jeweils die für die genutzten Organismen optimale Lichtintensität gezielteingestellt werden kann. Zugleich ist ein erheblicher Spielraum für die Optimierung des Systems gegeben.Of the new photobioreactor allows a significant improvement the growth of the organisms under different environmental conditions, in each case the optimal light intensity for the organisms used can be targeted. At the same time, there is considerable room for maneuver given for the optimization of the system.

Die für andere Einsatzfälle nachteilige Lichtdurchlässigkeit von Dünnschicht-Solarelementen wird im erfindungsgemäßen Reaktor genutzt, um Schädigungen der Organismenzellen durch zu hohen Lichtenergieeintrag bei gleichzeitiger Energiegewinnung zu verhindern.The for other applications, adverse light transmission of thin-film solar elements is in the inventive Reactor used to damage the organism cells too high a light energy input with simultaneous energy production to prevent.

Die von den semitransparenten Solarelementen aus überschüssiger Lichtenergie generierte elektrische Energie kann zum Betrieb oder zur Einstellung bestimmter Betriebsparameter, z. B. zur Steuerung der Lichtdurchlässigkeit oder zur Temperierung des Photobioreaktors genutzt werden. Darüber hinaus kann überschüssige elektrische Energie auch in externe Netze eingespeist werden.The generated by the semitransparent solar elements of excess light energy electrical energy can be used to operate or to set certain operating parameters, eg. B. for Control of the light transmission or for temperature control of the photobioreactor can be used. In addition, excess electrical energy can also be fed into external grids.

Die semitransparenten Solarelemente können verschiedene Ausführungsformen aufweisen. Entsprechend ihrer Beschaffenheit, z. B. als Glas, können sie der geometrischen Form des Reaktors strukturiert angenähert oder z. B. als Folien der Oberfläche des Reaktors flexibel angepasst sein.The Semitransparent solar elements can have different embodiments exhibit. According to their nature, z. B. as glass, can they approximated the geometric shape of the reactor or z. B. flexible as films of the surface of the reactor be adjusted.

Sie können auf der gesamten Reaktorwand, Teilen davon oder auf den dem Lichteinfall ausgesetzten Flächen angebracht sein. Dabei können sie selbst die äußere Reaktorwand bilden oder auf der Reaktorwand außen direkt oder mit einem Luftspalt zur äußeren Reaktorwand angebracht sein.she can be on the entire reactor wall, parts of it or mounted on the exposed to the light surfaces be. In doing so, they can themselves the outer Form reactor wall or outside directly on the reactor wall or with an air gap to the outer reactor wall to be appropriate.

Für den Einsatz in Photobioreaktoren sind sie umso geeigneter, je niedriger der Gesamtenergiedurchlasswert und damit die schädliche Wärmebelastung im Reaktor und je höher die Lichtdurchlässigkeit (Transmission) ist, damit genügend Lichtenergie für das Biomassewachstum im Reaktor vorhanden ist.For their use in photobioreactors is the more appropriate the lower they are the total energy transmittance and thus the harmful Heat load in the reactor and the higher the light transmission (Transmission), so that enough light energy for the biomass growth is present in the reactor.

Der Kühlaufwand lässt sich weiter reduzieren, wenn die Solarelemente konstruktiv mit einem Luftspalt zur Oberfläche des Reaktors angebracht sind. Hierbei wird der in Wärme umgewandelte Anteil des Lichtes nach außen wieder abgestrahlt und trägt nicht zur Erwärmung des Reaktorinnenraumes bei.Of the Cooling costs can be further reduced if the solar elements constructive with an air gap to the surface of the reactor are attached. This is the heat converted portion of the light emitted to the outside again and does not contribute to the heating of the reactor interior at.

Durch semitransparente Solarelemente lässt sich eine für phototrophe Organismen inhibierende Lichtintensität von ca. 2.000 μmol/m2s in den optimalen Bereich von 200 bis 400 μmol/m2s transformieren.By semitransparent solar elements can be a phototrophic organisms inhibiting light intensity of about 2,000 .mu.mol / m 2 s in the optimum range of 200 to 400 .mu.mol / m 2 s transform.

Dabei wird die Eigenschaft der semitransparenten Solarelemente genutzt, dass sie nur ca. 15% der Sonnenenergie durchlassen, die Transmission aber relativ regelmäßig über das gesamte sichtbare Lichtspektrum erfolgt, so dass durch sie allein keine Wellenlängenverschiebungen auftreten. Für die Erzeugung des Solarstroms aus dem Sonnenlicht nutzen die Solarelemente dagegen noch ca. 75% des Sonnenlichtes.there the property of the semitransparent solar elements is used, that they allow only about 15% of the solar energy through, but the transmission relatively regularly over the entire visible light spectrum takes place, so that by them alone no wavelength shifts occur. For the production of solar power from sunlight By contrast, the solar elements still use about 75% of the sunlight.

Geeignete semitransparente Solarelemente sind vorzugsweise die mit einer Transparenz im sichtbaren Bereich von vorzugsweise 10%–30%. Als feste oder flexible semitransparente Solarzellen mit unterschiedlichem Aufbau sind beispielsweise einsetzbar:

  • – Amorphe Silizium Solarzellen (aSi) auf Glassubstraten oder Folien
Suitable semitransparent solar elements are preferably those with a transparency in the visible range of preferably 10% -30%. As solid or flexible semitransparent solar cells with different structure, for example:
  • - Amorphous silicon solar cells (aSi) on glass substrates or foils

Die aSi-Module sind als feste Dünnschicht-Solarzellen Glas-Glas-Laminate oder flexibel als PVB-Folie laminiert. Die aSi-Beschichtung liegt opak oder als sehr dünne Solarzellenschicht mit semitransparenter Wirkung vor. Als opake amorphe Solarzellen werden solche eingesetzt, bei denen ein Teil der Beschichtung im Laserverfahren gestreift oder gerastert abgenommen wird, so dass eine Lichttransmission von ca. 10% entsteht.

  • – CIS-Dünnschicht-Solarzellen und Module
The aSi modules are laminated as solid thin-film solar cells glass-glass laminates or flexibly as PVB film. The aSi coating is opaque or a very thin solar cell layer with a semi-transparent effect. As opaque amorphous solar cells, those are used in which a part of the coating is removed by stripping or laser scanning in the laser process, so that a light transmission of about 10% is formed.
  • - CIS thin-film solar cells and modules

Die CIS-Solarmodule (Kupfer-Indium-Selenid) können Wirkungsgrade von 11% bis 13% erreichen. Ihre Semitransparenz wird durch eine Rasterung in den Varianten Punkt-, Strich- und Rautenlösung erzielt. Bei diesen Dünnschicht-Solarzellen kann eine Transparenz bis 50% erreicht werden.

  • – Cadmium-Tellurid-Dünnschicht-Zellen auf Glassubstrat
The CIS solar modules (copper indium selenide) can achieve efficiencies of 11% to 13%. Their semitransparency is achieved by a screening in the variants dot, line and diamond solution. With these thin-film solar cells, a transparency of up to 50% can be achieved.
  • - Cadmium telluride thin-film cells on glass substrate

Die Cadmium-Tellurid-Dünnschicht-Zellen erreichen einen Wirkungsgrad von ca. 7%. Der Vorteil der CdTe-Zellen besteht in einer geringeren Temperaturempfindlichkeit sowie in einer hohen Empfindlichkeit gegenüber diffuser Solarstrahlung. Die feinen dünnen Strukturierungslinen für die einzelnen Zellen von Glas-Glas-Standard-Module lassen Licht durch, so dass sie bei Gegenlicht eine Semitransparenz aufweisen.The Cadmium telluride thin-film cells achieve efficiency of about 7%. The advantage of CdTe cells is lower Temperature sensitivity as well as in a high sensitivity to diffused solar radiation. The fine thin structuring lines for the individual cells of glass-glass standard modules let light through so that they have a semitransparency in backlight exhibit.

Ausführungsbeispiele:EXAMPLES

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von 4 Ausführungsbeispielen erläutert werden.The Invention will be described below with reference to 4 embodiments be explained.

1 (Flat-Panel) zeigt eine schematische Darstellung eines Photobioreaktor zur Produktion von phototrophen Organismen mit einer nanostrukturierten elektrochromen Beschichtung und integrierter Solarzelle 1 (Flat panel) shows a schematic representation of a photobioreactor for the production of phototrophic organisms with a nanostructured electrochromic coating and integrated solar cell

2 (Air-Lift) zeigt eine schematische Darstellung eines Photobioreaktors mit einer nanostrukturierten elektrochromen Beschichtung und integrierten Solarzelle 2 (Air-Lift) shows a schematic representation of a photobioreactor with a nanostructured electrochromic coating and integrated solar cell

3 (Blasensäule) zeigt eine schematische Darstellung eines Air-Lift-Photobioreaktors mit einer nanostrukturierten elektrochromen Beschichtung und integrierter Solarzelle 3 (Bubble column) shows a schematic representation of an air-lift photobioreactor with a nanostructured electrochromic coating and integrated solar cell

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Gemäß 1 bilden die semitransparenten Dünnschicht-Solarzellen 1 die Bioreaktorwand 3. Die nanostrukturierte elektrochrome Schicht 2 ist zwischen den semitransparenten Solarelementen 1 und der Wand des Reaktors 3 aufgebracht. Die Bioreaktorwand ist dem Hauptlichteintritt direkt zugewandt. Die semitransparenten Solarelemente sind entweder als Glas-Glas-Laminat in das Reaktor-Modul eingearbeitet oder als flexible Folie auf die lichtdurchlässige Reaktoraußenwand aufgebracht. Mit einer gering turbulenten Strömung werden die Organismen, insbesondere Mikroalgen, in die optimale Lichtzone gebracht. Die Strömung des Mediums 4 mit der Biomasse 5 kann durch die Flüssigkeitszuführung 6 und die aufsteigende CO2-haltige Gaszuführung 7 erzeugt werden. Das Medium wird zum Zweck der Entgasung, der Temperierung und der Ernte in einem nicht dargestellten externen Kreislauf geführt.According to 1 form the semitransparent thin-film solar cells 1 the bioreactor wall 3 , The nanostructured electrochromic layer 2 is between the semitransparent solar elements 1 and the wall of the reactor 3 applied. The bioreactor wall faces the main light entrance directly. The semitransparent solar elements are either incorporated as a glass-glass laminate in the reactor module or as a flexible film on the translucent ge reactor outer wall applied. With a low turbulent flow, the organisms, especially microalgae, placed in the optimal light zone. The flow of the medium 4 with the biomass 5 can through the liquid supply 6 and the ascending CO 2 -containing gas supply 7 be generated. The medium is performed for the purpose of degassing, the temperature and the harvest in an external cycle, not shown.

Nicht dargestellte Sensoren zur Überwachung der Prozessparameter, wie pH-Wert, Temperatur, elektrische Leistung der Photovoltaikzellen, vervollständigen das System.Not illustrated sensors for monitoring the process parameters, such as pH, temperature, electrical power of photovoltaic cells, complete the system.

Beispiel 2Example 2

Gemäß 2 umgeben die semitransparenten Solarelemente 1 als flexible Folie die Wand des Reaktors 3 allseitig, wobei sich die nanostrukturierte elektrochrome Schicht 2 zwischen den semitransparenten Solarelementen 1 und der Wand des Reaktors 3 befindet. In dieser Ausführungsform wird das Licht aus einem großem Raumwinkel absorbiert. Diese Ausführungsform ist besonders für großvolumige senkrechte Air-Lift-Bioreaktoren geeignet.According to 2 surround the semitransparent solar elements 1 as flexible foil the wall of the reactor 3 on all sides, with the nanostructured electrochromic layer 2 between the semitransparent solar elements 1 and the wall of the reactor 3 located. In this embodiment, the light is absorbed from a large solid angle. This embodiment is particularly suitable for large volume vertical air lift bioreactors.

Beispiel 3Example 3

Gemäß 3 sind Blasensäulen in semitransparente Solarzellen 1 integriert. In dieser Ausführungsform sind die Blasensäulen als Batterie zwischen vorgeschaltete ebene semitransparente Solarzellen 1 mit der nanostrukturierten elektrochromen Schicht 2 gestellt.According to 3 are bubble columns in semitransparent solar cells 1 integrated. In this embodiment, the bubble columns are used as a battery between upstream planar semi-transparent solar cells 1 with the nanostructured electrochromic layer 2 posed.

Beispiel 4Example 4

Mit der Ausführung nach 3 wurde die Wirkungsweise des Reaktors gem. 3 nachgewiesen.With the execution after 3 the mode of operation of the reactor was gem. 3 demonstrated.

Der Mikroalgenstamm Scenedesmus sp. 1 wurde bei folgenden Parametern:

  • – Medientemperatur T = 25–28°C,
  • – Begasung v = 5% CO2,
  • – Nährmedien Setlik und ESP
wechselnder Lichtintensität durch vorgeschaltete CIS-Dünnschicht-Solarzellen ausgesetzt.The microalgae strain Scenedesmus sp. 1 was at the following parameters:
  • - medium temperature T = 25-28 ° C,
  • Fumigation v = 5% CO 2 ,
  • - Culture Media Setlik and ESP
changing light intensity exposed by upstream CIS thin-film solar cells.

Bei einer für Scenedesmus sp. 1 hohen Lichtintensität von 270 μmol/m2s ohne semitransparente Dünnschicht-Solarzellen und einer turbulenten Strömung wurde eine Wirkstoffbildung von 5,2 mg pro g Biomasse erreicht.At one for Scenedesmus sp. 1 high light intensity of 270 μmol / m 2 s without semitransparent thin-film solar cells and a turbulent flow, an active ingredient formation of 5.2 mg per g of biomass was achieved.

Bei einer Lichtintensität von 50 μmol/m2s an der Oberfläche des SPB und einer vorgeschalteten semitransparenten Dünnschicht-Solarzellen (CIS-Solarmodule) betrug die Wirkstoffbildung 4,9 mg pro g Biomasse bei reduzierter Strömung und gleichzeitiger Erzeugung von 38 Watt pro m2 Dünnschicht-Solarzelle.At a light intensity of 50 μmol / m 2 s at the surface of the SPB and an upstream semitransparent thin-film solar cells (CIS solar modules) the active ingredient formation was 4.9 mg per g of biomass at reduced flow with simultaneous generation of 38 watts per m 2 of thin film solar cell.

11
semitransparente Solarzellesemitransparent solar cell
22
nanostrukturierte elektrochrome Schichtennanostructured electrochromic layers
33
Außenwand des Bioreaktorsouter wall of the bioreactor
44
flüssige Medienliquid media
55
Biomassebiomass
66
Flüssigkeitszuführungliquid feed
77
Gaszuführunggas supply

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (11)

Photobioreaktoren zur Kultivierung und Vermehrung von phototrophen Organismen in flüssiger Phase durch Umsetzung mit gasförmigen, festen und/oder flüssigen Zusatzstoffen bei Belichtung mit Sonnenlicht und/oder künstlichem Licht zur Gewinnung von Biomasse und/oder ihrer Stoffwechselprodukte und Nutzung überschüssiger Lichtenergie, dadurch gekennzeichnet, dass die Photobioreaktoren mit einer Vorrichtung zur Steuerung der Lichtdurchlässigkeit und damit des Wärmeeintrages sowie mit semitransparenten Solarelementen versehen sind.Photobioreactors for the cultivation and propagation of phototrophic organisms in the liquid phase by reaction with gaseous, solid and / or liquid additives when exposed to sunlight and / or artificial light for the production of biomass and / or their metabolites and use of excess light energy, characterized in that Photobioreactors are provided with a device for controlling the light transmission and thus the heat input and with semitransparent solar elements. Photobioreaktoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die phototrophen Organismen Mikroorganismen, Algen, Cyanobakterien oder höhere Pflanzenzellen sein können.Photobioreactors according to claim 1, characterized in that that the phototrophic organisms are microorganisms, algae, cyanobacteria or higher plant cells. Photobioreaktoren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch semitransparente Dünnschicht-Solarelemente, die für die photosynthetisch aktive Strahlung transparent sind und die energiereiche Strahlung in elektrische Energie umwandeln.Photobioreactors according to claim 1 and 2, characterized by semitransparent thin-film solar elements used for the photosynthetic active radiation is transparent and the high energy Convert radiation into electrical energy. Photobioreaktoren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch opake oder lichtundurchlässige Solarelemente mit einer gerasterten Beschichtung und freibleibenden Zonen auf dem Basismaterial.Photobioreactors according to claim 1 and 2, characterized by opaque or opaque solar elements with a screened coating and remaining zones on the Base material. Photobioreaktor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass nur Teile der Reaktorwand mit opaken oder lichtundurchlässigen Solarelementen versehen sind und die freibleibenden Teile als Fenster für den Lichteinfall dienen.Photobioreactor according to Claims 1 and 2, characterized in that that only parts of the reactor wall with opaque or opaque Solar elements are provided and the remaining parts as a window to serve for the incidence of light. Photobioreaktor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Reaktor einwirkende Lichtintensität durch eine spezifische, insbesondere nanostrukturierte Beschichtung des Reaktors, die einen elektrochromen Effekt nutzt, um sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung einzufärben und die Lichtdurchlässigkeit und damit den Wärmeeintrag zu beeinflussen, gesteuert reduziert wird und die Beschichtung als Abschattungselement wirkt.Photobioreactor according to Claims 1 to 5, characterized that the light intensity acting on the reactor through a specific, in particular nanostructured coating of Reactor, which uses an electrochromic effect, by applying to stain an electrical voltage and the light transmittance and thus to influence the heat input is controlled reduced and the coating acts as a shading element. Photobioreaktor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Reaktorwand, dem Lichteinfall ausgesetzte Flächen oder Teile des Reaktors mit semitransparenten Solarelementen versehen sind.Photobioreactor according to Claims 1 to 6, characterized that the entire reactor wall, exposed to light incidence surfaces or provide parts of the reactor with semitransparent solar elements are. Photobioreaktor nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die semitransparenten Solarelemente geometrisch strukturiert starr oder als Folien flexibel der Oberfläche des Photobioreaktors angepasst sind.Photobioreactor according to Claims 1 to 7, characterized that the semitransparent solar elements are geometrically structured rigid or flexible as films adapted to the surface of the photobioreactor are. Photobioreaktor nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die semitransparenten Solarelemente selbst die äußere Wand des Bioreaktors bilden, auf diese außen direkt oder mit einem Luftspalt zur lichtdurchlässigen Bioreaktorfläche angebracht sind.Photobioreactor according to Claims 1 to 8, characterized that the semitransparent solar elements themselves are the outer ones Form the wall of the bioreactor, on this outside directly or with an air gap to the translucent bioreactor surface are attached. Photobioreaktor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung der Solarelemente zum Reaktor je nach Tageslichtintensität gesteuert wird.Photobioreactor according to Claims 1 to 9, characterized that the position of the solar elements to the reactor depending on the daylight intensity is controlled. Photobioreaktor nach Anspruch 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Verwendung der von den semitransparenten Solarzellen erzeugten elektrische Energie zur Einstellung bestimmter Betriebsparameter, wie zur Steuerung der Lichtdurchlässigkeit, Temperierung des Reaktorinhaltes oder die Einspeisung in externe Netze.Photobioreactor according to claim 1 to 10, characterized by the use of those produced by the semitransparent solar cells electrical energy for setting certain operating parameters, as for controlling the light transmission, tempering the reactor contents or the feed into external grids.
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