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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Photobioreaktor zur Kultivierung
von phototrophen Organismen.
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Photobioreaktoren
sind Kulturgefäße, in denen phototrophe Organismen
wie Algen, Cyanobakterien und Purpurbakterien, (im Folgenden Mikroalgen
genannt) kultiviert werden. Mikroalgen sind für die Massenkultur
besonders interessant, da in ihrem großen Artenreichtum
ein enormes biotechnologisches und wirtschaftliches Potenzial liegt.
Sie stellen eine natürliche Quelle für wertvolle
Inhaltsstoffe wie Proteine, Vitamine, Antioxidantien und pharmakologische
Substanzen dar. Mikroalgen sind auf Grund ihrer hohen Vermehrungsrate
die zurzeit produktivsten Agrarsysteme überhaupt. Durch
Mikroalgen können hochwertige Additive für die
Ernährung von Mensch und Tier bei gleichzeitiger Entlastung
der Umwelt hergestellt werden. In Gegenden mit niedrigen Jahresniederschlägen
und hoher Viehdichte können mit Mikroalgen hochwertiges
Protein auf sonst wenig produktiven Flächen erzeugt und
Nährstoffüberschüsse verwertet werden
(
Jimenez C., Cossio B. R., Labella D., Niell F. X. 2003.
The feasibility of industrial production of Spirulina in southern Spain.
Aquaculture. 217: 179–190). Ein weiteres mögliches
Anwendungsgebiet der Mikroalgenzucht liegt im Bereich der Energiegewinnung.
Schon in den achtziger Jahren wurden in den USA lipidhaltige Algen
zur Gewinnung von Biotreibstoffen identifiziert (
Sheehan
J., Dunahay T., Benemann J., Roessler P. 1998. A look back at the
U. S. Department of Energy's aquatic species program: Biodiesel
from algae. NREL/TP-580-24190). Es wurde außerdem
gezeigt, dass kohlendioxidhaltige Abgase (
Jander F. 2001. Massenkultur
von MA mit pharmazeutisch nutzbaren Inhaltsstoffen unter Verwendung
von CO2 und NaHCO3, gewonnen aus den Abgasen eines Blockheizkraftwerkes,
Dissertation, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel) sowie
Biogas (
DE 10 346 471
B4 ,
DE
20 2007 011 197 U1 ) genutzt werden können, um
das Algenwachstum zu erhöhen. Durch die Kombination von
Algenzucht mit anderen Technologien im Bereich der Energiegewinnung
aus fossilen Brennstoffen kann die Ökobilanz dieser Anlagen
im Sinne nachhaltiger Entwicklung verbessert werden, da weniger
CO
2 in die Umwelt gelangt.
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Allerdings
konnte sich die terrestrische Algenzucht nur an besonderen Gunststandorten
in einfachen offenen Kulturbecken oder im Bereich der hochpreisigen
Feinchemikalien durchsetzen. Damit in Zukunft auch Massenprodukte
aus Mikroalgen marktfähig werden, muss die Technologie
für die industrielle Produktion höchsteffizient
und kostengünstig werden. Eines der größten
Probleme ist hierbei die Entwicklung von geeigneten Photobioreaktoren im
großindustriellen Maßstab. Photobioreaktoren zur Kultivierung
und Produktion von phototrophen ein- oder wenigzelligen Organismen,
wie Algen, Cyanobakterien oder pflanzliche Zellkulturen sind bekannt. Die
Produktivität von Mikroalgen-Kulturen hängt jedoch
entscheidend von dem Design der verwendeten Photobioreaktoren ab.
Es gibt eine ganze Anzahl von verschiedenen Typen, die sehr unterschiedliche
Investitionskosten und Landschaftsverbrauch bedeuten und sich durch
eine mehr oder weniger effiziente Umwandlung des einfallenden Lichtes
in Biomasse auszeichnen.
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Platten-,
säulen- und schlauchförmige Reaktoren benötigen
zumeist Aufhängungen und Fundamente, weshalb in großtechnischen
Freilandanlagen (zum Beispiel Spirulinazucht) aus Kostengründen meist
nur einfache häufig offene Kulturbecken zum Einsatz kommen.
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Um
die Ernte zu erleichtern, wird eine hohe Konzentration der Mikroalgen
in der Suspension angestrebt, was die Eindringtiefe des Lichts herabsetzt. Daraus
ergibt sich das Problem, dass die Gesamtwirksamkeit der Photosynthese
herabgesetzt wird, da das Licht nur Mikroalgen in den oberen Schichten erreichen
kann. Um die Photosyntheseleistung pro Volumeneinheit zu erhöhen
und ein Absetzen der Mikroalgen zu verhindern, muss das Kulturreich
daher in Bewegung gehalten werden. Dies ist von wesendlicher Bedeutung
für eine einheitliche Bestrahlung der Mikroalgensuspension,
und gewöhnliche technische Maßnahmen in offnen
Behältern oder Teichen hierfür sind oftmals das
Rühren oder Bewegen der Lösung mit einer Pumpe
oder mechanisches Rühren. Das Pumpen kann jedoch die Algenvermehrung hemmen,
da diese durch Scherkräfte zerstört oder beschädigt
werden. Das mechanische Rühren ist zudem sehr energieaufwändig.
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Bei
so genannten Airlift-Reaktoren entsteht durch von unten einströmende
Luft oder andere Gase eine vertikal gerichtete Zirkulation mit einem Auf-
und Abstrom. Dieses Prinzip ist besonders energiesparend. Zudem
werden keine Rührwerke oder Pumpen im Reaktor benötigt,
um die Suspension zu bewegen. Durch die entstehenden Blasen ist
außerdem eine sehr große Oberfläche gegeben,
was die Diffusion von CO2 ins Medium erleichtert.
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Säulenförmige
Airlift-Reaktoren sind in der Lage, seitlich einfallendes Licht
aus allen Richtungen aufzufangen, jedoch ist das Verhältnis
von Oberfläche zu Volumen bei der Säulenform sehr
gering, was die Lichtausnutzung und Produktivität solcher
Reaktoren sehr begrenzt. Außerdem wird senkrecht einfallendes
Licht nicht eingefangen, und durch die runde Grundform wird die
Standfläche nicht optimal ausgenutzt.
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Bei
der plattenförmigen Airlift-Reaktoren (Plattenreaktor,
z. B.
EP 1 169 428
B1 ) ist die Produktivität pro Volumeneinheit gegenüber
der Säulenform größer, da ein größeres
Verhältnis von Oberfläche zu Volumen besteht.
Das Sonnenlicht kam jedoch nicht aus allen Einfallswinkeln gleich
gut eingefangen werden, deshalb sind Plattenreaktoren ähnlich
wie Solarpanels zuweilen auch mit teuren Schwenkvorrichtungen ausgestattet,
welche die Platten entsprechend dem Sonnenstand ausreichten. Plattenförmige
Reaktoren haben zudem den Nachteil, dass sie im Freiland eine große
Angriffsfläche gegenüber Wind bieten, was den
Einsatz von stabilen und teuren Trage- und Haltevorrichtungen erfordert
und zu Materialermüdung führt. Die notwendigen
Bodenverankerungen bedeuten zudem einen baulichen Eingriff in die Landschaft,
welcher hohe Erschließungs- und Rückbaukosten
verursacht.
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Horizontal
ausgerichtete Photobioreaktoren ohne Airlift wie etwa in der
US 2 732 663 A beschrieben
nutzen die Grundfläche gut aus, da sie den Boden flächig
bedecken. Das Medium muss jedoch mit Pumpen oder Rührwerken
bewegt werden, was energetisch ungünstiger als eine Airlift-Zirkulation
ist. Außerdem kann der Pumpvorgang das Algenwachstum beeinträchtigen,
und es besteht wenig Oberfläche zwischen Gas und Flüssigkeit,
was einen Eintrag von CO
2 in das Kulturreich
erschwert.
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Eine
Verbesserung sind freistehende Reaktoren ohne massive Bodenverankerungen
und Fundamente, die wenig Angriffsfläche für Wind
bieten. Die
EP 0 999
265 B1 beschreibt eine haubenförmige oder eine
kegelförmige Kulturvorrichtung für photosynthetische
Organismen, die auch nach dem Airlift-Prinzip funktioniert. Die
vorgeschlagene Form erhöht zwar die Wirksamkeit der Lichtnutzung,
das Verhältnis Oberfläche zum Gesamtvolumen ist
jedoch ungünstig. Durch die relativ geringe Standfläche
sind solche Photobioreaktoren zudem anfällig gegenüber Wind.
Außerdem weisen diese Reaktoren durch ihre Hohlkammerkonstruktion
eine aufwändige und relativ teure Bauart bestehend aus
vielen Einzelteilen auf. Der großflächige Einsatz
solcher Systeme setzt eine hohe Stückzahl voraus, wobei
die komplizierte Bauart auch einen hohen Montage- und Wartungsaufwand
nach sich zieht. Durch die runde Grundform kann zudem die eingenommene
Fläche nicht optimal genutzt werden, weil zwischen den
Reaktoren Freiflächen bleiben, was den Landschaftsverbrauch
erhöht. Da die Fläche nicht optimal ausgenutzt
wird, entsteht zudem ein hoher Energiebedarf, denn die Transportwege
für Medium und Gase sind relativ weit verglichen zu einer
optimalen Flächenausnutzung.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Photobioreaktor bereitzustellen,
der CO2-haltige Gase, wie Biogas oder Abgase
zur Herstellung von Algenbiomasse nutzen kann und sowohl in der Herstellung
als auch im Betrieb technisch und wirtschaftlich kostengünstiger
einsetzbar ist.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch einen Photobioreaktor mit den in Anspruch 1
aufgeführten Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche
geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
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Die
Erfindung wird in den 1 bis 3 näher
veranschaulicht. Es zeigen:
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1 in
schematischer Seitenansicht ein Photobioreaktor gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung,
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2 in
schematischer Seitenansicht die Verbindungen zwischen Bodenwanne
und Hüllen bzw. zwischen Außen- und Innenhülle
gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
vorliegender Erfindung,
A. in vergrößerter
Darstellung einen Ausschnitt gemäß Kreis 17 der 1,
B.
in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt der oberen
Verbindung zwischen Außen- und Innenhülle,
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3 in
schematischer Darstellung Größenverteilung der
unteren Durchbrechungen der Innenhülle gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung.
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Die
Grundstruktur des Reaktors besteht aus drei Bauelementen: einer
inneren Hülle, einer äußeren Hülle
und einer stabilen Bodenwanne (1). Die
Hülle ist an ihrem obersten Ende mit einem Gasauslass versehen.
In der Bodenwanne befinden sich ein Gaseinlass, ein Mediumeinlass
und ein Mediumauslass.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Photobioreaktors
haben die Hüllen die Form einer nach unten hin (abgerundet)
quadratisch horizontal auslaufenden, stehen Säule (zirkuszeltartige
bzw. zylinderhutartige Form). Die Außenhülle kann
fest oder flexibel sein und ist an ihrem unteren umlaufenden Ende
mit dem umlaufenden Rand der Bodenwanne zwar lösbar, aber
abdichtend verbunden. Die Innenhülle ist fest oder vorzugsweise
flexibel und innerhalb der Außenhülle etwa konzentrisch
in einem radialen beziehungsweise axialen Abstand vorgesehen. Die
Innenhülle ist in ihrem oberen Bereich an der Innenseite
der Außenhülle gehalten, im unteren Bereich mit
der Außenhülle und/oder der Bodenwanne verbunden
und oben und unter mit Durchbrechungen versehen. Dies ermöglicht
die Zirkulation zwischen Außenraum (Raum zwischen Außen-
und Innenhülle) und Innenraum (innerhalb der Innenhülle) des
Photobioreaktors.
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Im
Gegensatz zu herkömmlichen Airlift-Reaktoren zirkuliert
die Algensuspension sowohl in horizontaler als auch in vertikaler
Richtung, wie in 1 schematisch dargestellt wird.
Die Zirkulation wird algenschonend und energiesparend durch Einblasen von
Luft oder Gas(-gemisch) erreicht. Blasen des Gases, das vom Gaseinlass
in das Algenmedium hinein abgeleitet wird, bewegen sich im Algenmedium
aufgrund ihres Auftriebs nach oben. Diese Aufwärtsbewegung
der Blasen fördert die Aufwärtsbewegung des Algenmediums
im Innenraum des Photobioreaktors. Der Strom des Algenmediums, der
sich nach oben bewegt, fließt durch die oberen Durchbrechungen
der Innenhülle in den Außenraum, entlang des Außenraumes
nach unten, durch die unteren Durchbrechungen wieder in den Innenraum
und dort zunächst horizontal, bis er vom einfließenden
Gas wieder in die Vertikale geleitet wird.
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Der
Aufstrom hat eine ausreichende Höhe, damit sich der Auftrieb
des Gases in einer Aufwärtsbewegung auf das Medium übertragen
kann. Gleichzeitig wird jedoch durch das zunächst steil
verlaufende Gefälle im Abstrom Volumen eingespart und ein gutes
Oberflächen/Volumenverhältnis erreicht. Die überwiegende
Wegstrecke des Mediums erfolgt entlang eines leichten Gefälles
in vorwiegend horizontaler Richtung. Da die Grundfläche
mit zunehmender Entfernung zum Mittelpunkt des Reaktors zunimmt, würde
die Strömungsgeschwindigkeit abnehmen, weil sich der Volumenstrom
auf einer größeren Fläche verteilt. Dieser
Effekt wird jedoch gemindert, indem sich die Schichtdicke des Reaktors
zu den Enden hin verringert.
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Durch
die gesamte Oberfläche des Reaktors kann Licht eindringen
und von den Algen zur Photosynthese genutzt werden. Durch die neuartige
Oberflächenausformung kann Sonnenlicht aus allen Einfallswinkeln
eingefangen werden, ohne eine aufwändige Schwenkvorrichtung
zu benötigen. Gleichzeitig ist das Verhältnis
zwischen Reaktoroberfläche und Reaktorvolumen günstiger
als bei der Schlauch-, Säulen- oder Haubenform. Die hauben-
oder kegelförmige Gestaltung der
EP 0 999 265 B1 weist bezogen
auf das Volumen grundsätzlich eine geringere Oberfläche
zur Umgebung hin auf. Ein großes Verhältnis Oberfläche/Volumen
ist jedoch notwendig, um effektiv Licht einfangen zu können.
Zwar wird in der
EP
0 999 265 B1 aufgrund der speziellen geometrischen Form
zusätzliche Oberfläche im Inneren geschaffen,
diese ist jedoch nur geeignet, um künstliches Licht einzufangen.
Die Beschattung und Selbstbeschattung des erfindungsgemäßen
Photobioreaktors ist zudem viel geringer als bei der Schlauch-, Säulen-
oder Haubenform.
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Bei
der erfindungsgemäßen Hülle sind irgendwie
geartete Aufhängevorrichtungen oder Stützgerüste
oder dergleichen, wie dies im Stand der Technik bei Airlift-Reaktoren
notwendig ist, nicht notwendig. Dabei ist wesentlich, dass das Material
langlebig, kostengünstig und wetterresistent ist, wobei gleichzeitig
möglichst wenig Licht vom Material selbst absorbiert werden
darf. Als Materialien für die Hüllen eignen sich
durchsichtige, stabile und UV-beständige Folien wie sie
auch in herkömmlichen Schlauchreaktoren verwendet werden
(zum Beispiel PA-, PET-Membranen oder laminierte Membranen). Da Folien
gegenüber festen Materialien meist kostengünstiger
sind, können gegenüber Konstruktionen ganz aus
festen Materialien Kosten eingespart werden. Das für eine
feste Hülle verwendete Material kann zum Beispiel Acrylharz,
Polycarbonat, Polypropylen, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Glas
und so weiter sein. Nur die äußere Hülle
ist direkter UV-Strahlung ausgesetzt. Im Falle einer Materialermüdung kann
diese leicht im Feld ausgetauscht werden, ohne dass der ganze Photobioreaktor
abtransportiert werden muss.
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In
den Folien können zusätzliche Strukturen eingearbeitet
sein, um die Verwirbelung der Algensuspension zu verbessern. Somit
kann die Lichtnutzeffizienz gesteigert werden.
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Wenn
die Haftung der Algen an den Wänden des Photobioreaktors
vermieden wird, kann die Lichtnutzeffizienz ebenfalls gesteigert
werden. Hüllen aus Folien sind nicht starr, sie unterliegen
Verformungen und Bewegungen bzw. Vibrationen, was zum Lösen der
Algen von den Hüllenflächen führen kann.
Quelle der Vibrationen sind u. a. minimale Druckschwankungen, die
durch die Zirkulation hervorgerufen werden. Es werden jedoch im
Freien auch durch äußere Einwirkungen (Regen,
Wind), sowie durch die Bewegung der Flüssigkeit selbst
Vibrationen ausgelöst. Darüber hinaus können
bei Bedarf durch periodische Druckschwankungen zusätzliche
Vibrationen erzeugt werden, um die Wände des Photobioreaktors
zu reinigen.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Photobioreaktors
ist die Grundform der Bodenwanne abgerundet quadratisch. Andere
Reaktoren vermeiden diese Form, da eine rechteckige Form bisher
mit Todvolumen verbunden war. Da sich der Großteil der Übertrittsfläche
des Außenraumes in den Innenraum jedoch in den Ecken befindet,
wird der Strom des Algenmediums auch in diesen (vom Zentrum am weitesten
entfernten) Bereich gezwungen. Die Verteilung der Übertrittsfläche
ist also so gewählt, dass die einzelnen Durchbrechungen
umso größer sind, je werter sie vom Zentrum der
Bodenwanne (wo sich der Gaseinlass befindet, der zum Airlift führt)
entfernt liegen, wie in 3 schematisch dargestellt. Durch
die Anordnung der Durchbrüche wird das Medium auch in die
peripheren Bereiche des Photobioreaktors geleitet, und somit ist
eine rechteckige Grundform möglich. Durch das Vermeiden
von strömungstechnisch ungünstigen spitzen Winkeln
an den Außenkanten entsteht auch kein Totvolumen, die Algen
setzen sich daher nirgendwo ab.
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Der
Transport der Algen wird, neben durch die Airlift-Zirkulation, gleichzeitig
auch durch ein leichtes Gefälle des Außenraumes
und der Bodenwanne unterstützt. Auf der gesamten Strecke
zwischen oberen und unteren Durchbrechungen (Außenraum)
sowie zwischen unterer Durchbrechungen und Gaseinlass (Mittelpunkt
der Bodenwanne) besteht daher ein Gefälle von vorzugsweise
mindesten 1–3%. Das Gefälle zwischen unteren Durchbrechungen
und Mittelpunkt der Bodenwanne wird durch die Ausformung der Bodenwanne
erreicht. Diese ist so gestaltet, dass an ihrem Mittelpunkt der
niedrigste Punkt des Systems erreicht ist. Da sich an dieser Stelle
der Gaseinlass befindet, werden auch abgesetzte Algen dem Airlift
zugeführt, in Suspension gebracht und nach oben transportiert.
Dadurch ist eine geringe Absetzrate möglich (bei anderen
Systemen würden abgesetzte Algen nicht mehr an der Photosynthese
teilnehmen). Außerdem kann die Flussrate an Druckluft/Gas,
welche zum betreiben des Reaktors notwendig ist minimiert werden,
wodurch Energie gespart wird.
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Mehrere
erfindungsgemäße Photobioreaktore können
gleichzeitig aufgebaut beziehungsweise zusammengesetzt sein. Die
Reaktoren können in Reihen und/oder Spalten oder in sonstiger
beliebiger Weise beieinander angeordnet und in Parallelschaltung
beziehungsweise parallelen Leitungsverbindungen miteinander und
weiteren Bauteilen verbunden sein.
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Damit
kein Todvolumen entsteht, haben die Reaktoren zum Beispiel bei der
EP 0 999 265 B1 eine runde
Grundform. Dies bedeutet jedoch, dass zwischen den Reaktoren zwangsläufig
freie Flächen entstehen, die photosynthetisch nicht genutzt
werden können. Dadurch wird der Flächenertrag
von vornherein begrenzt. Durch die erfindungsgemäße
(abgerundet) quadratische Form kann die Bodenoberfläche
optimal ausgenutzt werden.
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Die
erfindungsgemäßen Photobioreaktore sind vorzugsweise
in Doppelreihen angeordnet, zwischen den Reihen sind Abstände,
um die Photobioreaktore für Wartungszeiten zugänglich
zu machen. Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen
Photobioreaktors erlauben, dass die einzelnen Einheiten in einer
solchen Anordnung ausgetauscht werden können, ohne die
Produktion zu gefährden.
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Bei
einer derartigen Photobioreaktoranordnung wird insgesamt erreicht,
dass die baulichen Maßnahmen zur Errichtung minimal sind,
und somit die Investitionskosten gering gehalten werden können.
Außerdem können die einzelnen Einheiten ohne größere
Vorbereitungen auf dem Gelände aufgebaut werden. Damit
werden auch entsprechende Erschließungskosten minimiert.
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Die
Dimensionierung des erfindungsgemäßen Photobioreaktors
kann den Standortverhältnissen und der zu kultivierenden
Alge angepasst werden. Ein größerer Reaktor hat
ein kleineres Oberflächen/Volumenverhältnis als
ein kleinerer Reaktor, was sich bei starker Lichteinstrahlung und
hoher Umgebungstemperatur als vorteilhaft erweisen kann, damit die
Algenkulturen nicht überhitzen. Das Verhältnis
von vertikalem und horizontalem Teil sollte so gewählt
sein, dass die Stabilität des Photobioreaktors und günstige
Lichtverhältnisse gewährleistet sind.
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Im
Laufe des Kulturprozesses steigt die Algendichte im Medium an, sodass
das Licht den inneren Teil des Kulturreichs wegen gegenseitiger
Beschattung der Algen immer schwerer erreicht. Um dies zu vermeiden,
sollte die überwiegende Tiefe des Kulturreichs unter 15–20
cm gehalten werden. Somit ist der bevorzugte Radius des vertikalen
Teils nicht größer als 15–20 cm. Zudem
soll die Hüllenform am Übergang zwischen vertikalem
und horizontalem Teil rasch abfallen. Auch der horizontale Teil
ist vorzugsweise so gestaltet, dass der Abstand zwischen Bodenwanne
und Außenhülle nicht größer
als 15–20 cm ist, wobei sich dieser nach Außen
hin verjüngt. Die Kantenlänge der Bodenwanne ist
bevorzugt kleiner als 2 m, wobei die Höhe des Airlifts
bevorzugt 30–50 cm nicht überschreitet. Dadurch
kann der flache horizontale Teil des Reaktors gut belichtet werden.
Zudem bleibt der Photobioreaktor in der bevorzugten Ausführung
handlich und kann leicht transportiert und montiert werden.
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Beim
erfindungsgemäßen Photobioreaktor ist keine Bodenverankerung
notwendig, da durch das Algenmedium ausreichend Gewicht und durch
die geometrische Form ausreichend Standfläche vorhanden
sind, um die nötige Standfestigkeit zu gewährleisten,
und wenig Angriffsfläche für Wind geboten wird.
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Die
Algen wachsen in Suspension im Photobioreaktor in einem Medium bestehend
aus Flüssigkeit und Nährstoffen. Im Reaktor können
Sensoren zur Überwachung des Algenmediums und der Algen eingebaut
sein. Durch eine Einlassöffnung kann Algenmedium in den
Photobioreaktor geleitet werden. Wenn die gewünschte Algendichte überschritten
ist, kann Algensuspension über die Auslassöffnung
zu Erntezwecken abgelassen werden. Es kann auch eine ständige
oder periodische Substitution vom Medium erfolgen. Die Algenernte
kann beispielsweise durch Absetzen in einem nachgeschalteten Absetzbecken
erfolgen. Ein Ausgleichsbehälter mit Kompressor für
die Airlift-Zirkulation kann mit dem Photobioreaktor verbunden sein.
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Am
Mediumein- und Auslass und am Gasein- und Auslass können
Absperrventile angebracht sein, über die der Reaktor im
Falle einer Beschädigung abgeriegelt werden kann. Die Absperrventile können
auch dazu dienen, die Durchflussraten von Medium und Gas am Photobioreaktor
einzustellen. Sowohl die Zirkulation des Algenmediums als auch die
Zirkulation des Gases kann so abgestellt werden (Pumpe beziehungsweise
Kompressor abstellen), wenn kein effektives Algenwachstum möglich
ist (zum Beispiel nachts, um Energie zu sparen).
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen,
in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
näher beschrieben und erläutert ist.
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1 zeigt
die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Photobioreaktors. Der Reaktor besteht im Wesentlichen aus einer
formstabilen Bodenwanne 1 und einer Hülle 2 aus
transparentem und UV-beständigem Material. Die Hülle 2 besitzt eine
Außenhülle 3 und eine Innenhülle 4,
wobei die Innenhülle 4 einen Innenraum 5 begrenzt
und die Außenhülle 3 zusammen mit der
Innenhülle 4 einen Zwischen- beziehungsweise Außenraum 6 zwischen sich
einschließen beziehungsweise begrenzen. Die Außenhülle 3 besitzt
eine zylinderhutbeziehungsweise zirkuszeltartige Form, bei der der
obere etwa vertikale Teil 7 eine leicht konische nach oben
zusammenführende und am Ende kuppelartige Form aufweist,
während der untere etwa horizontale Teil 8 etwa
eine Quaderform aufweist, die eine Grundfläche entsprechend
der Grundfläche der Bodenwanne 1 besitzt, so dass
die Hülle 2 mit dem unteren Teil 8 in die
Bodenwanne 1 eingesetzt werden kann. Die Höhe
des unteren Teils 8 ist etwas größer
als der Höhe des umlaufenden Randes 9 der Bodenwanne 1 entspricht.
Die selbsttragende Bodenwanne 1 besteht vorzugsweise aus
einem entsprechenden Kunststoff, der nicht durchsichtig sein muss.
Sowohl der untere Teil 8 als auch die Bodenwanne 1 können eine
kreisrunde oder eine quadratische beziehungsweise rechteckförmige
Fläche mit abgerundeten Ecken oder dergleichen besitzen.
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Die
Innenhülle 4 ist innerhalb der Außenhülle 3 etwa
konzentrisch in einem radialen beziehungsweise axialen Abstand vorgesehen,
wobei die Innenhülle 4 wie die Außenhülle 3 aus
ihrem oberen Teil 7 über eine leichte Rundung 10 beziehungsweise 11 in den
unteren Teil 8 beziehungsweise untere Wandung 12 übergeht.
Aufgrund dieser zylinderhutartigen beziehungsweise zirkuszeltartigen
Form kann von allen Seiten und allen Richtungen einfallendes Licht,
wie Sonnenlicht, im Reaktor ausgenutzt werden.
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Die
Innenhülle 4, die kaminartig ausgestaltet ist
und wirkt, ist in ihrem oberen Bereich an der Innenseite der Außenhülle 3 gehalten,
in einem Bereich 13, der den in der Kuppel der Außenhülle 3 vorgesehenen
Gasauslass 14 umgibt. Unterhalb dieses Verbindungsbereichs 13 ist
die Innenhülle 4 mit Durchbrechungen 15 versehen,
die in den Außenraum 6 münden. Der untere
Wandungsbereich 12 der Innenhülle 4 ist
an einem Innenrand 16 der Bodenwanne 1 befestigt.
Nahe diesem Befestigungsbereich 17 sind Durchbrechungen 18 in
der Innenhülle 4 vorgesehen, die eine weitere
Verbindung zwischen dem Außenraum 6 und dem Innenraum 5 schaffen. Die
Außenhülle 3 ist an ihrem unteren umlaufenden Ende
mit dem umlaufenden Rand 9 der Bodenwanne 1 zwar
lösbar, aber abdichtend verbunden.
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Im
Boden 19 der Bodenwanne 1 ist der Gaseinlass 20 vorgesehen.
Dieser Boden ist so gestaltet, dass an seinem Mittelpunkt der niedrigste
Punkt der Bodenwanne ist, und somit ein Gefälle zwischen Rand
und Mitte der Bodenwanne entsteht. Im umlaufenden Rand 9 der
Bodenwanne 1 ist an einem Bereich der in den Innenraum 5 mündende
Mediumauslass 21 und an einer dem gegenüber etwa
diametral angeordneten Stelle der in den Innenraum 5 mündende
Mediumeinlass 22 angeordnet.
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In
den Reaktor können Sensoren zur Überwachung des
Kulturmediums und der Mikroalgen eingebaut sein. Die Zirkulation
wird algenschonend und energiesparend durch Einblasen von Luft oder Gas(-gemisch)
erreicht.
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Durch
die spezielle Geometrie des Reaktors entsteht kein Totvolumen, die
Algen setzen sich daher nirgendwo ab. Die Algensuspension zirkuliert
in der horizontalen und vertikalen Ebene, wodurch eine optimale
Lichtausnutzung erreicht wird, ohne eine aufwändige Schwenkvorrichtung
zu benötigen.
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Die
Innenhülle ist gemäß 2A vorzugsweise
durch Schnapp- oder Schiebeverschlüsse (Nut 23 und
Feder 24) mit dem Rand 9 der Wanne 1 verbunden,
was eine leichte Montage ermöglicht. Entsprechendes gilt
für die obere Verbindung von Außen- und Innenhülle,
wie in 2B dargestellt. Da auf beiden
Seiten der Innenhülle 4 der gleiche Druck anliegt,
müssen die Verbindungen keinen großen Kräften
standhalten. Die Außenhülle 3 wird vorzugsweise
durch einen Anpressrahmen 25 mit dem Rand 9 der
Bodenwanne 1 verbunden (2A).
Der Anpressdruck wird vorzugsweise durch Schraubverbindungen 9 erreicht.
Hierzu sind in den Rahmen 25 Bohrungen und in Rand 9 Gewinde
eingelassen. Die Außenhülle 3 und der
Anpressrahmen 25 verfügen über entsprechende
Aussparungen für die Schrauben 26. In Abhängigkeit
vom Material der Außenhülle 3 kann die
Dichtigkeit durch einen verdickten Foliensaum 28 oder ein
Dichtungsgummi 27 (ebenfalls mit Aussparungen für
die Schrauben) erreicht werden.
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Der Übertritt
vom Aufstrom in den Abstrom und umgekehrt geschieht durch die Aussparungen beziehungsweise
Durchbrechungen 15 und 18 der Innenhülle 4.
Die Gesamtfläche der Durchbrechungen 15 und 18 sollte
in etwa der Querschnittsfläche der Innenhülle 4 (im
oberen Abschnitt) entsprechen, damit der Strom des Algenmediums
beim Durchtritt nicht behindert wird. Um dies zu erreichen, sind
am oberen Rand vorzugsweise Vollkreisaussparungen 15 vorgesehen,
da der Umfang des oberen Randes geringer ist als am unteren Saum.
Damit keine Flüssigkeit durch den Gasauslass 14 gelangen
kann, muss zwischen Pegelstand und Gasaulass ausreichend Abstand
vorhanden sein (in Abhängigkeit von der Gasflussrate).
Am unteren Saum der Innenfolie 4 sind vorzugsweise halbkreisförmige
Durchbrechungen 18 vorgesehen, durch die das Medium aus
dem Abstrom in den Aufstrom übertreten kann. 3 zeigt
schematisch die Größenverteilung dieser Durchbrechungen.
Sie sind umso größer, je weiter sie vom Zentrum
der Bodenwanne entfernt liegen. Durch diese bevorzugte Anordnung
der Durchbrechungen wird das Medium auch in die peripheren Bereiche
des Photobioreaktors geleitet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10346471
B4 [0002]
- - DE 202007011197 U1 [0002]
- - EP 1169428 B1 [0008]
- - US 2732663 A [0009]
- - EP 0999265 B1 [0010, 0021, 0021, 0028]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Jimenez C.,
Cossio B. R., Labella D., Niell F. X. 2003. The feasibility of industrial
production of Spirulina in southern Spain. Aquaculture. 217: 179–190 [0002]
- - Sheehan J., Dunahay T., Benemann J., Roessler P. 1998. A look
back at the U. S. Department of Energy's aquatic species program:
Biodiesel from algae. NREL/TP-580-24190 [0002]
- - Jander F. 2001. Massenkultur von MA mit pharmazeutisch nutzbaren
Inhaltsstoffen unter Verwendung von CO2 und NaHCO3, gewonnen aus den
Abgasen eines Blockheizkraftwerkes, Dissertation, Mathematisch-Naturwissenschaftliche
Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu
Kiel [0002]