-
Die Erfindung bezieht sich auf einen Bioreaktor entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Algen können mittels ihrer Einbindung in den Prozess der Photosynthese zur Produktion großer Mengen an Biomasse benutzt werden, wobei aus ökonomischen Gründen ein besonderes Interesse an den, einen hohen Fettgehalt aufweisenden Arten besteht. Technisch darstellbar ist dieser Prozess in Gegenwart von eine Nährlösung enthaltendem Wasser, CO2 und Licht, z. B. Sonnenlicht. Hierbei wird elektromagnetische Energie durch die Algen in chemische Energie umgesetzt, welche wiederum zum Wachstum bzw. zum Aufbau organischer Substanz verwendet wird.
-
Aufgrund ihrer im Vergleich zu anderen ölhaltigen Nutzpflanzen wesentlich höheren Flächenerträge tritt die Herstellung von Biomasse in der Form einer Kultivierung von Algen und vergleichbaren Mikroorganismen zunehmend in den Blickpunkt öffentlichen Interesses.
-
Von den etwa 400.000 Algenarten werden gegenwärtig etwa 250 Arten industriell zur Herstellung von Nahrungsmitteln, Futtermitteln, Biopolymeren, als Rohstoff zur Weiterverarbeitung zu Kosmetika, Arzneimitteln, Pigmenten, in der Umwelttechnik zur CO2-Bindung, zur Neutralisierung von Gift- und Schadstoffen, z. B. Uran und weiteren Schwermetallen und zur Energiegewinnung. Letzteres ist der Form einer Verwendung als Ausgangsstoff zur Gewinnung von Biodiesel, Ethanol, Methan, Wasserstoff oder Biomasse allgemein bekannt.
-
Die Kultivierung von Algen erfolgt bekanntermaßen entweder in natürlicher Umgebung, z. B. in Tiefwasserregionen wie z. B. den küstennahen Regionen der Ozeane, in Teichen bzw. Seen oder in besonderen Bioreaktoren. Derartige Reaktoren sind in allgemeinster Form beispielsweise aus den Dokumenten
DE 102 25 559 A1 und
G 87 03 478.6 bekannt. Der Reaktor ist hiernach als geschlossenes Gefäß, welches zur Einkopplung von Sonnenstrahlung teilweise aus Plexiglas bestehen kann oder alternativ zur Aufnahme röhrenförmiger Lichtquellen eingerichtet ist. Diese Reaktoren sind entweder für einen diskontinuierlichen oder einen kontinuierlichen Betrieb ausgelegt, wobei als Ausgangsprodukte stets Algen bzw. vergleichbare Mikroorganismen gewonnen werden. Zur Versorgung der Lichtquellen ist eine Zufuhr elektrischer Energie erforderlich, wobei eine CO
2-Versorgung über das Abgas eines Brennstoffzellensystems erfolgen kann.
-
Aus dem Dokument
DE 20 2008 005 412 U1 ist ein zur Kultivierung ölhaltiger Mikroalgen bestimmter Bioreaktor bekannt, der aus einem zylindrischen Behälter besteht, in welchem, dessen Volum gleichförmig durchsetzend, eine Reihe von parallel zueinander angeordneten, lichtdurchlässigen röhrenförmigen, zur Aufnahme von LED-Leuchtkörpern bestimmten Gefäßen angeordnet sind. Zur Energieversorgung der Leuchtkörper dient ein Photovoltaik-Element, dessen ausgestrahlte Wellenlänge auf eine Optimierung des Photosyntheseprozesses der Mikroalgen ausgerichtet ist.
-
Aus dem Dokument
DE 10 2007 031 688 A1 ist ein weiterer Bioreakror bekannt, in dem in einer CO
2-haltigen Nährlösung unter Lichteinstrahlung Algen kultiviert werden.
-
In jedem Fall kann die auf diese Weise in der Form von Algen erzeugte Biomasse als ein Medium betrachtet werden, in dem auf dem Wege der Photosynthese chemische Energie gebunden bzw. gespeichert ist.
-
Sämtliche dieser bekannten Bioreaktoren stehen mit einer Energiequelle in Verbindung, über welche die für ein Algenwachstum benötigte Licht- bzw. Strahlungsenergie bereitgestellt wird. Um die für ein optimales Wachstum der Algen oder vergleichbaren Mikroorganismen erforderllichen Bedingungen dauerhaft und unabhängig von den jeweiligen Tageszeiten sowie Dämmerungsverhältnissen darstellen zu können, wird eine bloße Sonneneinstrahlung regelmäßig einer Ergänzung durch zusätzliche Lichtquellen erforderlich machen, so dass eine bloße Einkopplung von Sonnenlicht unzureichend sein wird.
-
Die Wirtschaftlichkeit dieser Bioreaktoren wird somit bei unveränderten sonstigen Marktbedingungen maßgeblich durch die Art ihrer Energieversorgung beeinflußt, insbesondere ihrer Einbindung in einschlägige Energieversorgungsnetzwerke.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Bioreaktor der eingangs bezeichneten Art bereitzustellen, deren Energieversorgung im Vergleich zu dem eingangs vorgestellten Stand der Technik auf auf einer vielfältigeren Grundlage beruht. Gelöst ist diese Aufgabe bei einem solchen Bioreaktor durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.
-
Erfindungswesentlich ist hiernach, dass der Bioreaktor mit einem Modulteil ausgerüstet ist, welches mit unterschiedlichen Energieversorgungsystemen in Verbindung steht, in Wirkverbindung steht, so dass zumindest die Energieversorgung der Lichtquelle nach Maßgabe insbesondere nutzerseitig vorgebbarer Bedingungen mit einer der mehreren Energieversorgungssysteme schaltungstechnisch verbindbar ist. Als derartige Energieversorgungssysteme im engeren Sinne können ein öffentliches Versorgungsnetz für Elektroenergie, ein hiervon getrenntes, zur Umsetzung von Windenergie oder auch von Solarenergie, z. B. in der Form eines Photovoltaik-Systems eingerichtetes Versorgungsystem und sonstige z. B. nicht öffentliche Versorgungssysteme für Elektroenergie angesehen werden. Im weiteren Sinne kommen hierbei auch Versorgungssysteme für Gas, Fernwärme, etc in Betracht, über welche entweder direkt oder gegebenenfalls über Zwischenstufen eine energetische Versorgung des innerhalb des Bioreaktors ablaufenden Prozesses darstellbar ist. Neben der benötigten Energie für die Lichtquelle kann auf diesem Wege auch die Energie für die Konstanthaltung einer algenspezifischen Mindesttemperatur der Nährlösung aufgebracht werden, so dass aufgrund einer derart eingerichteten Versorgung ein besonders wirtschaftlicher Betrieb des Bioreaktors darstellbar ist.
-
Der zur Durchführung der Kultivierung benutzte Raum ist entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 2 durch einen zylindrischen Behälter verkörpert. Andere Formen können für diese Zweck jedoch gleichermaßen benutzt werden, insbesondere unterirdische Hohlräume, beispielsweise in der Form aufgegebener Bergwerks- oder sonstiger Schachtanlegen.
-
In jedem Fall ist der genannte Raum entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 3 zur Aufnahme wenigstens einer Lichtquelle eingerichtet. Wesentlich ist in diesem Zusammenhang, dass die eine Lichtquelle oder auch ein System von Lichtquellen dahingehend angelegt ist, dass in dem gesamten Raum eine zumindest angenähert gleichförmige Licht- bzw. Stzrahlungsintensität darstellbar ist.
-
Um einen Witterungseinfluß gering zu halten, ist entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 4 vorgesehen, dass sich der zur Durchführung des Prozesses benutzte Raum zumindest teilweise unterhalb der Erdoberfläche befindet. Alternativ hierzu bzw. diese Eigenschaft ergänzend kann der Raum mit wärmegedämmt ausgebildeten Wandungen ausgerüstet sein. Der Einfluss schwankender Umgebungstemperaturen kann somit gemindert werden.
-
Die für den Prozess benötigte Lichtquelle ist entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 5 und 6 durch ein aus einem strahlungs- bzw. lichtdurchlässigen Werkstoff, z. B. Glas bestehenden, beispielsweise zylindrischen Gehäuse gekennzeichnet, welches zur Aufnahme zumindest eines Strahlungselements eingerichtet ist.
-
Der eingangs genannte Raum bzw. der diesen verkörpernde Behälter ist entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 7 mit Zu- und/oder Ableitungen zur Versorgung bzw. zur Entnahme eines Reaktionsproduktes ausgerüstet. Hinzu treten gegebenenfalls Signalleitungen, über welche in Verbindung mit einschlägigen Sensorsystemen wesentliche Prozessparameter der Nährlösung erfasst und überwacht werden können. Eingeführt zur Durchführung des Prozesses wird jedenfalls eine mit gelösten, auf die jeweils zu kultivierenden Mikroorganismen abgestimmten Mineralien, CO2 und gegebenenfalls eine Startkultur befrachtete Nährlösung.
-
Das genannte Modulteil ist entsprechend den Merkmalen der Anspruchs 8 ferner mit Hinblick auf eine Darstellung von Mess- und Steuerfunktionen zur Beinflussung wesentlicher, den Prozess der Photosynthese kennzeichnender Parameter ausgerüstet.
-
Die Merkmale des Anspruchs 9 sind auf eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des genannten Raumes mit Hinblick auf eine einfache sowie behinderungsfreie Durchführung von Wartungs- und Inspektionsarbeiten gerichtet.
-
Dadurch, dass entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 10 dem Gehäuse der Lichtquelle mechanische Mittel zur Entfernung außenseitiger Ablagerungen zugeordnet sind, ist auch im Zeitablauf ein stabiler, durch eine gleichförmige Licht- bzw. Strahlungsintensität innerhalb des Raumes gekennzeichneter Betrieb des Bioreaktors gesichert.
-
Man erkennt anhand der vorstehenden Ausführungen, dass mit dem erfindungsgemäßen Bioreaktor ein insbesondere unter Kostengesichtspunkten vorteilhaftes Mittel zur Verfügung gestellt wird, mittels welchem zugeführte elektrische Energie in der Form von Biomasse als chemische, und damit vorteilhaft speicherbare Energie umwandelbar ist.
-
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bioreaktors;
-
2 eine ebene Teilansicht eines Bioreaktors in einer vertikalen Längsschnittebene II-II der 1;
-
3 eine perspektivische Teilansicht eines Bioreaktors in einer vertikalen Querschnittebene III-III der 1;
-
4 eine isolierte schematische Teildarstellung einer in dem Bioreaktor gemäß eingesetzten Lichtquelle.
-
Mit 1 ist in den 1 bis 3 ein Bioreaktor bezeichnet, der beispielsweise als langgestreckter, zylindrischer Behälter 1' ausgebildet und der vorzugsweise überwiegend innerhalb des Erdreichs 2 versenkt angeordnet ist. Der Behälter 1' kann aus Metall oder auch einem Kunststoff bestehen und ist auf seiner, aus dem Erdreich 2 herausragenden Oberseite 3 mit verschließbaren, für Service- oder Inspektionszwecke nutzbaren Öffnungen 4 versehen.
-
Vor wenigstens einer der beiden Stirnseiten 5 des Behälters 1' befindet sich ein begehbarer Schacht 6, der in Verbindung mit einer in der Stirnseite 5 angeordneten, zeichnerisch nicht dargestellten, ebenfalls verschließbaren Öffnung für Wartungs- und Inpektionszwecke nutzbar ist.
-
Innerhalb des Behälters 1' befindet sich wenigstens eine, durch ein röhrenförmiges, sich in dessen Längsrichtung, vorzugsweise parallel zu dessen Achse erstreckendes Gehäuse 7' gekennzeichnete Lichtquelle 7. Diese Lichtquelle 7 ist hinsichtlich ihrer Erstreckung sowie ihrer Leistung dahingehend eingerichtet, dass an jeder Stelle innerhalb einer, den Bioreaktor 1 zumindest teilweise füllenden, zur Kultivierung von Algen sowie vergleichbaren Mikroorganismen bestimmten Nährlösung eine Mindestlichtintensität gegebenenfalls in einer an die genannten Organismen angepassten optimale Wellenlänge zur Verfügung gestellt ist.
-
Zeichnerisch nicht dargestellt sind Leitungen, über welche dem Innenraum des Bioreaktors eine CO2 und Mineralstoffe jeweils in gelöster Form sowie eine Startkultur enthaltende Nährlösung zugeführt wird und über welche diesem ein Reaktionsprodukt entnommen werden kann.
-
Zeichnerisch ebenfalls nicht dargestellt sind Beheizungselemente, über welche die Temperatur der Nährlösung nach Maßgabe optimaler sowie im Zeitablauf gleichförmiger Wachstumsbedingungen unabhängig von den Witterungsbedingungen der Umgebung aufrechterhalten werden kann. Gleiches gilt für Sensoren, die zur Überwachung des Zustand der Nährlösung hinsichtlich Temperatur, pH-Wert, und weiterer Parameter, wie z. B. dem Sauerstoffgehalt usw. bestimmt sind.
-
Das Gehäuse 7' ist als röhrenförmiger lichtdurchlässiger, beispielsweise aus Glas bestehender Körper ausgebildet, der in geeigneter Weise innerhalb des Bioreaktors fixiert ist und innerhalb welchem sich elektrische Leuchtelemente befinden, welche über eine Leitung 8 mit einem zur Steuerung, Überwachung und zur Energieversorgung eingerichteten Modulteil 9 in Verbindung stehen. Dessen Funktion wird im Folgenden noch näher beschrieben werden.
-
Auf dem zylindrischen Glaskörper des Gehäuses 7', dieses ringförmig umgebend sowie auf diesem in Achsrichtung gleitfähig angeordnet ist ein beidseitig mit beispielsweise aus einem elastomeren Werkstoff bestehenden Ringlippen 10 ausgerüsteter Träger 11, der seitlich über eine Gewindebohrung mit einer sich achsparallel zu dem Glaskörper gelagerten Gewindespindel 12 im Eingriff steht. Die Gewindespindel 12 steht an ihrem einen Ende über ein Getriebe 13 mit einem Elektromotor 14 in Antriebsverbindung.
-
Durch entsprechende Ansteuerung des Elektromotors 14 ist eine in Richtung der Pfeile 15 oszillierende Bewegung des Trägers 11 entlang des Glaskörpers darstellbar, so dass mittels der Ringlippen 10 ein sich auf der äußeren Oberfläche des Glaskörpers gebildeter, beispielsweise durch den Wachstumsprozess der Mikroorganismen bedingter Niederschlag mechanisch entfernt wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die für ein optimales Wachstum erforderliche Lichtintensität auch im Zeitablauf konstant gehalten werden kann.
-
Das Modulteil 9 steht über eine Leitung 16 mit einem öffentlichen Versorgungsnetz in Verbindung. Über eine weitere Leitung 17 ist eine Verbindung zu einem alternativen Energieversorger wie z. B. einem Windgenerator 18 eingerichtet.
-
Das Modulteil 9 ist ferner dahingehend eingerichtet, dass nach Maßgabe der Verfügbarkeit und/oder nutzerseitig vorgebbaren Bedingungen ein Energiebezug entweder über das öffentliche Netz oder einen alternativen Energieversorger erfolgt. Auf diese Weise ist ein kostenoptimierter Energiebezug darstellbar, wobei sich unter bestimmten Bedingungen gleichzeitig Vorteile für ein öffentliches Versorgungsnetz dadurch ergeben, dass ein Energiebezug zu Zeiten einer schwächeren Auslastung installierter Kraftwerkskapazität erfolgt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Bioreaktor
- 1'
- Behälter
- 2
- Erdreich
- 3
- Oberseite
- 4
- Öffnung
- 5
- Stirnseite
- 6
- Schacht
- 7
- Lichtquelle
- 7'
- Gehäuse
- 8
- Leitung
- 9
- Modulteil
- 10
- Ringlippe
- 11
- Träger
- 12
- Gewindespindel
- 13
- Getriebe
- 14
- Elektromotor
- 15
- Pfeile
- 16
- Leitung
- 17
- Leitung
- 18
- Windgenerator
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10225559 A1 [0005]
- DE 8703478 U [0005]
- DE 202008005412 U1 [0006]
- DE 102007031688 A1 [0007]
