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Die Erfindung betrifft einen Fotoreaktor nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Fotochemische und fotobiologische Prozesse haben in der jüngsten Vergangenheit einen enormen Stellenwert erlangt. So ist man heute in der Lage, mit Hilfe von bestimmten Algen Nahrungsmittel und Nahrungsergänzungsstoffe für die tierische, aber auch in zunehmendem Maße für die menschliche Ernährung bereit zu stellen. Es entwickelt sich ein immer größer werdendes Interesse an der Nutzung solcher Verfahren zur Produktion von Medikamenten, Antibiotika, Enzymen, aber auch von zumindest in Deutschland nichttraditionellen Nahrungsmitteln. Mikroalgen verfingen über ein hohes Potenzial an Wertstoffen, wie mehrfach ungesättigte Fettsäuren, Pigmente, Fettsäuren und Antioxidantien. Deren Rolle als antivirale, antitumorale und antibakterielle Wirkstoffe sowie als Zusatzstoffe für die Nahrung kann nicht mehr bestritten werden. Insbesondere die mehrfach ungesättigten Fettsäuren, wie die Docosahexaensäure (DHA) und die Eicosanpentaensäure (EPA), sind als wertvolle und unverzichtbare Bestandteile der menschlichen Nahrung mit einer effektiven Wirkung gegen Erkrankungen des Immunsystems, gegen rheumatische Beschwerden und zum umfassenden Schutz des Herz-Kreislauf-Systems erkannt worden.
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Ein weiterer vielversprechender Bereich ist die Nutzung von Algen zur Produktion verschiedener hochmolekularer Kohlenwasserstoffe. So synthetisieren beispielsweise Botryococcus-Algen in hohem Maße Kohlenwasserstoffe (bis zu 75% der Algentrockenmasse), wobei neben gesättigten und mehrfach ungesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffen auch eine Reihe algenspezifischer komplexer Etherlipide gebildet werden.
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Die Besonderheit der Kultivierung von fototrophen Mikroorganismen, wie den Mikroalgen, besteht darin, dass diese Licht als Energiequelle zur Aufrechterhaltung ihrer Lebensfunktionen benötigen. Dabei wirkt in den allermeisten Fällen die zugeführte Lichtmenge limitierend auf den Gesamtprozess, auch deshalb, weil die Zellkulturen das vorhandene Licht in relativ geringem Abstand zur Strahlungsquelle nahezu vollständig absorbieren.
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Rein fotochemisch initiierte Reaktionen spielen eine wesentliche Rolle in der chemischen Verfahrenstechnik. So werden Reaktionen, wie die Abspaltung von Kohlenmonoxid aus Carbonylverbindungen, Umlagerungsreaktionen, Cyclisierungen, Chlorierungen von Alkanen usw. überhaupt erst möglich oder zumindest erheblich erleichtert. Auch hierbei ist eine ausreichende Absorption des Lichtes eine grundlegende Voraussetzung. Eine Besonderheit bei der Gestaltung fotochemischer Technologien besteht in der zusätzlichen Verwendung von Katalysatoren, wie z. B. Titandioxid.
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Für eine technische Umsetzung der fotochemischen und fotobiologischen Stoffsynthese kommen prinzipiell drei verschiedene Prozessvarianten zum Einsatz:
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- • geschlossene Fotorektoren mit natürlichem Sonnenlicht,
- • geschlossene Fotoreaktoren mit künstlicher Bestrahlung.
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Aus Gründen der Steuerbarkeit der Prozesse und der Vermeidung von Verunreinigungen wird die dritte Variante, d. h. der geschlossene Fotoreaktor mit künstlicher Bestrahlung, bevorzugt.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
WO 2008/145719 A1 beschrieben, ein Fotoreaktor bekannt. Im Inneren des Fotoreaktors sind Strahlungsquellen in Form von LED-Kunststoff-Formteilen angeordnet, in denen ein oder mehrere LED-Leuchtkörper in einer Kunststoffmatrix eingeschlossen sind.
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In der
WO 02/062465 A1 wird ein fotochemischer Reaktor beschrieben, welcher gasgefüllte Glas- bzw. Quarzhohlkörper aufweist, die sich in dem umzusetzenden Medium befinden. Das Gas in den Hohlkörpern wird durch ein äußeres elektromagnetisches Feld angeregt, so dass das Licht direkt in dem Medium entsteht.
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Aus der
DE 20 2006 003 878 U1 ist eine Beleuchtungseinrichtung für Bioreaktoren, insbesondere für Inkubatoren zur Kultivierung von fototrophen Zellkulturen bekannt. Die Beleuchtungseinrichtung besteht aus einer Mehrzahl von ansteuerbaren Lichtquellen. Die Lichtquellen strahlen Licht unterschiedlicher Spektralbereiche ab und Gruppen von Lichtquellen gleicher Spektralbereiche sind über eine elektronische Ansteuerung gezielt ansteuerbar.
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In der
DE 10 2007 057 869 B3 werden ein Verfahren zur Herstellung von 10-Hydroxycamptothecin und 7-Alkyl-10-hydroxycamptothecin und eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens beschrieben. Die Vorrichtung umfasst zwei im Abstand von 10 μm bis 1000 μm parallel angeordnete, transparente, ebene Quarzglas-Platten, welche stoffschlüssig miteinander verbunden sind, zwei den Raum zwischen den Platten an zwei einander gegenüberliegenden Seiten begrenzende Wände, zwei nicht durch die Wände begrenzte, einander gegenüberliegende Öffnungen und zwei senkrecht zu den Platten derart angeordnete Lichtquellen, dass deren Strahlung durch die beiden Platten in den Raum dringt.
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Aus der
DE 10 2005 007 771 A1 ist ein Fotoreaktor bekannt. Der Fotoreaktor weist ein Rohrbündel aus zahlreichen Kapillarrohren auf, die von einem Reaktionsmedium durchströmt sind. Die Rohre sind transparent. Mit Solarstrahlung oder künstlicher Strahlung wird auf das Reaktionsmedium eingewirkt, um eine fotochemische oder fotobiologische Behandlung durchzuführen. Das Rohrbündel besteht aus mehreren Schichten. Die quer einfallende Strahlung gelangt durch die relativ dickwandigen Rohre bis in die äußerste Tiefe des Rohrbündels.
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In der
DE 696 05 309 T2 wird ein Mittel zum fotochemischen Behandeln eines Fluidsubstrats in einem Fotoreaktor beschrieben. Das Mittel umfasst einen statischen Mischer, welcher einen Reaktorkörper mit einem sich längs erstreckenden, einen ringförmigen Querschnitt aufweisenden Kanal zum Mischen eines Volumens des Fluidsubstrats hat. Des Weiteren umfasst das Mittel Vorsprünge, welche der Strömung eine neue Richtung geben. Die Vorsprünge haben stromaufwärtige Vorderkanten und stromabwärtige, entgegengesetzte Hinterkanten, sind ansteigend bzw. rampenartig ausgebildet und in dem sich längs erstreckenden Kanal mit ihren stromaufwärtigen Vorderkanten benachbart der Kanalwand und mit ihren stromabwärtigen, entgegengesetzten Hinterkanten radial einwärts von der Kanalwand beabstandet, so dass sie eine Längsfluidströmung zwischen einer äußeren Fluideinschließungsgrenzfläche und einer inneren Grenzfläche gestatten und eine radiale Kreuz- bzw. Querstrommischung in der Längsströmung vorsehen. Die Vorsprünge weisen eine geneigte Oberfläche auf, welche das Fluidsubstrat über die Kanten von jedem der Vorsprünge nach einwärts und aufwärts längs der geneigten Oberfläche ablenkt.
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Aus der
DE 691 33 288 T2 ist ein Apparat zur Bestimmung von gelöstem Kohlenstoff in Wasser bekannt. Der Apparat umfasst eine Ansäuerungsvorrichtung für das Zugeben von Säure zu der wässrigen Probe zum Umwandeln von Carbonat- und Bicarbonationen in der wässrigen Probe in Kohlendioxid vor dem Einleiten der wässrigen Probe in den Oxidationsreaktor, einen Oxidationsreaktor für das Umwandeln organischer Verbindungen der wässrigen Probe in Kohlendioxid und andere Produkte, welcher einen Einlass und einen Auslass aufweist und eine Membranvorrichtung für das Diffundieren mindestens eines Teils des in dem Oxidationsreaktor gebildeten Kohlendioxids aus der wässrigen Probe über die Membran in einen entionisierten Wasserteil unter Bildung einer ionische Spezies enthaltenden Lösung. Die Membranvorrichtung besteht aus ersten und zweiten Fluiddurchgängen, die durch eine für Kohlendioxid durchlässige Membran getrennt sind. Das stromaufwärts liegende Ende des ersten Fluiddurchgangs steht in Fluidkommunikation mit dem Auslass des Oxidationsreaktors. Des Weiteren umfasst der Apparat eine Ventilvorrichtung, die für das Aufhalten und Zurückhalten der ionische Spezies enthaltenden Lösung in dem zweiten, neben der Membran liegenden Fluiddurchgang angeordnet ist für eine Äquilibrierungsperiode, die ausreicht, um ein Gleichgewicht über die Membran zwischen der Kohlendioxidkonzentration in der fließenden wässrigen Probe und der ionische Spezies enthaltenden Lösung einzustellen, und eine Leitfähigkeits- und Temperaturmesszelle in Fluidkommunikation mit dem zweiten Fluiddurchgang, die zum Messen der gesamten Konzentration der ionischen Spezies in der ionische Spezies enthaltenden Lösung auf die Äquilibrierungperiode hin und der Temperatur der Lösung angeordnet ist.
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In der
DE 200 15 884 U1 wird ein solarer Fotoreaktor zur Durchführung solarer fotochemischer oder fotobiologischer Reaktionen beschrieben. Der Fotoreaktor besteht aus einem oder mehreren transparenten Rohren, die von außen durch Licht bestrahlt werden, wobei das Reaktionsmedium durch die Rohre geleitet und dabei der Strahlung ausgesetzt wird.
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Aus der
DE 101 54 943 C1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Chlormethylgruppen aufweisenden Silanen unter Einwirkung von die Chlorierung auslösender elektromagnetischer Strahlung bekannt. Eine röhrenförmige Quecksilber-Mitteldruckstrahlenquelle mit Quarz-Schutzrohr und Überrohr aus Borsilicatglas ist konzentrisch in einem metallischen Außenrohr angeordnet und wird von unten mit Edukten sowie Chlorwasserstoff angeströmt und geflutet betrieben.
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In der
DD 281 408 A5 wird eine Einrichtung zum Kultivieren von autotrophen Mikroorganismen beschrieben. Die Einrichtung umfasst wenigstens zwei ineinander angeordnete, aus transparentem Material bestehende Rohrwendeln, deren parallele Längsseiten über Krümmer miteinander verbunden sind. Dabei befinden sich Lichtquellen in Form von Leuchtstoffröhren zwischen den parallelen Längsseiten der Rohrwendeln. Das Ganze ist in einem von seiner äußeren Begrenzung her quaderförmigen Rahmengestell fixiert. Dabei sind die Lichtquellen zu einem auswechselbaren Baustein vereint.
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Aus der
DD 279 668 A1 ist ein Verfahren zur sensibilisierten Fotoisomerisierung von 5.7-Dien-Steroiden bekannt. Die 5.7-Dien-Steroide werden im Gemisch mit einem Sensibilisator bestrahlt, dessen Triplettenergie im Bereich von 150 kJ/mol bis 250 kJ/mol liegt. Die Bestrahlung erfolgt mit Licht im Wellenlängenbereich von 240 nm bis 320 nm oder simultan mit zwei verschiedenen Wellenlängen, wobei der Wellenlängenbereich der einen Lichtquelle zwischen 240 nm und 310 nm liegt und der Wellenlängenbereich der zweiten Lichtquelle größer 330 nm ist.
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In der
DE 10 2005 003 966 A1 wird eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Durchführung fotochemischer Prozesse mit geringen optischen Schichtdicken, enger Verweilzeitverteilung und hohen Durchsätzen beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine Reaktionszone mit Mikrokanälen, in denen die Schichtdicke des zu bestrahlenden Mediums in Bestrahlungsrichtung unabhängig vom fluidischen Druck konstant bleibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Fotoreaktor anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Fotoreaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Fotoreaktor umfasst eine Mehrzahl in einem Reaktionsgefäß angeordneter Licht abstrahlender Strahlungsquellen.
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Erfindungsgemäß sind im Reaktionsgefäß eine Anzahl stabförmiger Strahlungsquellen und eine Anzahl stabförmiger Träger mit einem fotoaktiven Material angeordnet.
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Mittels dieses Fotoreaktors sind sowohl heterogene fotochemische als auch heterogene fotobiologische Prozesse durchführbar. In fotochemischen Prozessen ist das fotoaktive Material fotochemisch, genauer gesagt fotokatalytisch aktives Material, d. h. ein Fotokatalysator, welcher im fotochemischen Prozess durch die Lichtbestrahlung als Katalysator für ein den Fotoreaktor durchströmendes Substrat wirkt. In fotobiologischen Prozessen ist das fotoaktive Material fotobiologisch aktives Material, d. h. fototrophe Mikroorganismen. In diesem Fall ist das den Fotoreaktor durchströmende Substrat eine Nährstofflösung für das fotobiologisch aktive Material. Des Weiteren dient das Substrat bevorzugt auch zum Abtransport eines Stoffwechselproduktes der Mikroorganismen, welches von diesen durch Aufnahme von Nährstoffen und Bestrahlung mit Licht produziert wird. Dieses Stoffwechselprodukt ist zumeist das eigentlich gewünschte Erzeugnis, zu dessen Herstellung der fotobiologische Prozess auf diese Weise durchgeführt wird.
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Die wichtigsten, die Kultivierung der fototrophen Mikroorganismen beeinflussenden Parameter sind ein spezifischer Lichteintrag, eine Versorgung mit Kohlendioxid, eine Nährstoffkonzentration und eine Hydromechanik für einen schnellen Nährstofftransport.
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Auch bei den heterogen katalysierten fotochemischen Prozessen spielt der Lichteintrag die entscheidende Rolle, gefolgt von der katalytischen Aktivität der bestrahlten Oberfläche mit dem fotochemisch aktiven Material.
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Die Strahlungsquellen sind derart ausgebildet, dass sie eine für eine Aktivierung von fototrophen Mikroorganismen im fotobiologischen Prozess oder für eine Aktivierung von Fotokatalysatoren im fotochemischen Prozess optimale Strahlung über eine relativ große Grenzfläche homogen in das Reaktionsgefäß verteilen. Als Strahlungsquellen sind beispielsweise Gasentladungsstrahler mit oder ohne Leuchtstoff einsetzbar, welche elektrodenbehaftet sind oder elektrodenlos, d. h. durch ein elektromagnetisches Feld von außen anregbar sind.
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Des Weiteren sind beispielsweise auch Strahlungsquellen einsetzbar, welche eine Mehrzahl von LED, d. h. Licht emittierenden Dioden aufweisen.
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Dabei sind elektrodenlos anregbare Gasentladungsstrahler besonders vorteilhaft, da sie eine besonders lange Lebensdauer aufweisen und eine Spektralverteilung der von diesen emittierten Lichtstrahlung in Abhängigkeit von einer Zusammensetzung eines Füllgases variabel gestaltbar ist. Des Weiteren ist eine geometrische Gestaltung eines Entladungsgefäßes der Gasentladungsstrahler, wenn diese elektrodenlos anregbar sind, in weiten Grenzen frei wählbar und dadurch an das Reaktionsgefäß, an die Träger und an die Anordnung der Träger und der Strahlungsquellen im Reaktionsgefäß anpassbar, um eine optimale Bestrahlung der Träger zu erzielen.
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Zweckmäßigerweise sind im Wesentlichen parallel angeordnete Träger von benachbart angeordneten Strahlungsquellen bestrahlbar und eine Strahlungsquelle bestrahlt mehrere Träger.
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Durch die Anordnung der Strahlungsquellen und der Träger zueinander sind eine besonders homogene Verteilung des Lichtes im Reaktionsgefäß und eine hohe Bestrahlungsleistung erreicht. Durch die stabförmige Ausbildung der Träger mit anhaftendem fotoaktivem Material sind besonders große fotobiologisch aktive bzw. fotokatalytisch aktive Oberflächen erreicht. Durch die fotobiologisch bzw. fotokatalytisch hoch aktiven und ausreichend stabilen Träger sind signifikant verbesserte Eigenschaften des Fotoreaktors erzielbar.
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Vorzugsweise ist jeder Träger von einer Mehrzahl in einem vorgegebenen Abstand zum Träger kreisförmig oder kreisbogenförmig angeordneter Strahlungsquellen umgeben und jede Strahlungsquelle ist von einer Mehrzahl in einem vorgegebenen Abstand zur Strahlungsquelle kreisförmig oder kreisbogenförmig angeordneter Träger umgeben. Dabei sind zweckmäßigerweise die Träger mit Trägerlängsachsen und die Strahlungsquellen mit Strahlungsquellenlängsachsen jeweils parallel zu einer Reaktionsgefäßlängsachse ausgerichtet.
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Das Reaktionsgefäß ist zweckmäßigerweise im Wesentlichen in Längsrichtung der Träger von einem Substrat durchströmbar, vorzugsweise kontinuierlich durchströmbar. Dabei ist bevorzugt ein Zulauf des Fotoreaktors im Bereich einer Stirnseite des Reaktionsgefäßes und ein Ablauf im Bereich einer gegenüber liegenden Stirnseite des Reaktionsgefäßes angeordnet. Insbesondere bei einem zylinderförmigen Reaktionsgefäß des Fotoreaktors ist der Zulauf des Fotoreaktors vorzugsweise in einem unteren oder oberen Bereich des Reaktionsgefäßes und der Ablauf des Fotoreaktors in einem oberen bzw. unteren Bereich des Reaktionsgefäßes angeordnet.
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Durch die Anordnung des Zulaufs und des Ablaufs in unterschiedlichen Bereichen des Fotoreaktors, vorzugsweise nicht nur an gegenüber liegenden Enden, sondern auch an gegenüber liegenden Seiten des Fotoreaktors ist ein Durchfluss des Substrats durch das Reaktionsgefäß des Fotoreaktors optimiert. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Anströmung des fotoaktiven Materials aller Träger mit dem Substrat. Insbesondere sind dadurch Toträume vermieden, welche nicht optimal vom Substrat durchströmbar sind. Des Weiteren sind dadurch Kurzschlüsse vermieden, d. h. ein wirkungsloses Durchströmen des Substrats durch das Reaktionsgefäß vom Zulauf zum Ablauf, ohne die Träger und das an diesen angeordnete fotoaktive Material ausreichend zu passieren.
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Durch die stabförmige Ausbildung der Strahlungsquellen, die stabförmige Ausbildung der Träger, die vorzugsweise zylinderförmige Ausbildung des Reaktionsgefäßes und die Anordnung der Träger und Strahlungsquellen im Reaktionsgefäß ist das fotoaktive Material vollflächig bestrahlbar, so dass eine sehr hohe Bestrahlungsstärke bei einem nahezu vollständigen Ausschluss von Toträumen erreicht ist. D. h. im Reaktionsgefäß ist kein Bereich vorhanden, in welchem fotoaktives Material nicht ausreichend bestrahlbar ist oder in welchem das, das Reaktionsgefäß durchströmende Substrat nicht ausreichend mit dem fotoaktiven Material in Kontakt kommt oder sich dort sammelt und nicht abfließt. Des Weiteren ist durch die Anordnung der Träger, vorzugsweise konzentrisch kreisförmig oder zumindest kreisbogenförmig um die Strahlungsquellen herum, eine optimale Ausnutzung des von den Strahlungsquellen emittierten Lichts erreicht.
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Die Träger und bevorzugt auch die Strahlungsquellen sind vorteilhafterweise derart am Fotoreaktor gehaltert, dass sie einfach und schnell zu entfernen, auszutauschen und einzusetzen sind. Dies ermöglicht ein leichtes Entnehmen der Träger mit verbrauchtem fotokatalytisch aktivem Material bzw. zum Austausch des fotobiologisch aktiven Materials, d. h. der fototrophen Mikroorganismen. Ein leichtes Austauschen der Strahlungsquellen ermöglicht deren einfachen Ersatz beispielsweise bei Defekten oder bei einem Austausch aufgrund anderer benötigter Wellenlängen des von den Strahlungsquellen abgestrahlten Lichts. Dadurch ist eine Wartungszeit des Fotoreaktors zwischen aufeinander folgenden fotochemischen bzw. fotobiologischen Prozessen minimiert.
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Zweckmäßigerweise ist der Träger hohl und weist eine gasdurchlässige Wandung auf und es ist eine Gaszuführleitung angeordnet, mit der ein Innenraum des Trägers mit Gas versorgbar ist, welches durch die gasdurchlässige Wandung des Trägers in Richtung des fotoaktiven Materials ausströmbar ist. Dazu ist vorzugsweise die Gaszuführleitung im Innern des Trägers gasdurchlässig ausgebildet und weist bevorzugt im Inneren des Trägers eine Wandung aus feinporigem Schaumglas auf, welche vom Gas in Richtung des fotoaktiven Materials durchströmbar ist. Durch die Gaszuführleitung zur Einleitung von Gas in den Träger und insbesondere durch die Ausbildung der Gaszuführleitung im Träger ist eine Begasung, beispielsweise mit Kohlendioxid bei fotobiologischen Prozessen oder mit Luft oder Sauerstoff bei fotochemischen Prozessen, direkt auf das fotobiologisch oder fotokatalytisch aktive Material ermöglicht. Dadurch ist eine sehr feinblasige und homogen verteilte Gaszufuhr erreicht.
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Die Strahlungsquellen strahlen zweckmäßigerweise Licht mit einer Wellenlänge von 300 nm bis 700 nm ab. In diesem Wellenlängenbereich liegen die bevorzugten Wellenlängen des Lichts zur Unterstützung des Wachstums von Mikroorganismen in fotobiologischen Prozessen oder zur Aktivierung des Fotokatalysators in fotochemischen Prozessen.
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Vorzugsweise ist eine Innenwand des Reaktionsgefäßes reflektierend für das von den Strahlungsquellen abgestrahlte Licht ausgebildet. Dies ermöglicht eine optimierte Ausnutzung des von den Strahlungsquellen emittierten Lichts und eine optimierte Bestrahlung des fotoaktiven Materials auf den Trägern, insbesondere wenn einige der Träger nahe der Innenwand angeordnet sind, so dass keine Strahlungsquelle zwischen dem betreffenden Träger und der Innenwand des Reaktionsgefäßes angeordnet ist. Durch die reflektierend ausgebildete Innenwand ist auch bei diesen Trägern eine vollflächige Bestrahlung des fotoaktiven Materials und dadurch eine optimierte Umsetzung des fotobiologischen oder fotochemischen Prozesses ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das fotoaktive Material auf einem textilen Trägermaterial in und/oder an den Trägern angeordnet. Das fotoaktive Material, d. h. das fotokatalytisch bzw. fotobiologisch aktive Material ist auf einer den Strahlungsquellen zugewandten Oberfläche des textilen Trägermaterials fixiert. Dieses textile Trägermaterial ist vorzugsweise fächerförmig gefaltet in und/oder an den Trägern angeordnet. Dadurch ist eine sehr große Trägermaterialfläche erzielbar, welche dennoch optimal von den Strahlungsquellen mit Licht bestrahlbar, vom Substrat anströmbar und über die Gaszuführleitung begasbar ist.
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Auf diese Weise ist ein optimiertes Wachstum der auf dem Trägermaterial angeordneten Mikroorganismen in fotobiologischen Prozessen bzw. eine optimierte Aktivierung des auf dem Trägermaterial angeordneten Fotokatalysators in fotokatalytischen Prozessen ermöglicht. Dabei ist das textile Trägermaterial kostengünstig einsetzbar. Aufgrund seiner porösen Textilstruktur bietet das textile Trägermaterial einen sehr guten Halt für das fotokatalytisch bzw. fotobiologisch aktive Material und es ist eine optimale Begasung von der Rückseite des textilen Trägermaterials durch dieses hindurch direkt auf das fotokatalytisch bzw. fotobiologisch aktive Material ermöglicht.
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Das textile Trägermaterial ist beispielsweise in einem Ringraum des jeweiligen Trägers angeordnet. Dazu weist der Träger beispielsweise eine gitterförmige Ummantelung auf, welche den Ringraum bildet. Dadurch ist das textile Trägermaterial mit dem fotoaktiven Material optimal am Träger gehaltert und gegen auftretende Scherkräfte aufgrund des Substratflusses durch das Reaktionsgefäß gesichert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Träger mit kleinstückigem Trägermaterial, auf welchem das fotoaktive Material angeordnet ist, gefüllt. Dieses Trägermaterial ist vorzugsweise kugelförmig ausgebildet. In diesem Fall ist das fotoaktive Material, d. h. das fotokatalytisch bzw. fotobiologisch aktive Material an einer Oberfläche des kleinstückigen Trägermaterials fixiert. Das Trägermaterial ist vorzugsweise poröses Material, beispielsweise Blähton, und weist daher eine besonders große Oberfläche auf, so dass besonders viel fotokatalytisch bzw. fotobiologisch aktives Material sehr gut fixierbar und dem von den Strahlungsquellen emittierten Licht aussetzbar ist.
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Das kleinstückige, bevorzugt kugelförmig ausgebildete Trägermaterial ist als lose Schüttung in den Ringraum des jeweiligen Trägers eingefüllt. Dazu weist der Träger auch hier beispielsweise die gitterförmige Ummantelung auf, welche den Ringraum bildet. Auch diese Ausführungsform ermöglicht auf kostengünstige Weise eine optimierte Anströmung des Substrats an das fotoaktive Material, eine optimierte Begasung des fotoaktiven Materials und eine optimierte Bestrahlung des fotoaktiven Materials mit Licht der Strahlungsquellen. Auch hier sind das Trägermaterial und das daran fixierte fotoaktive Material durch den Ringraum des Trägers gut gegen auftretende Scherkräfte aufgrund des vorbeiströmenden Substrats gesichert und gehaltert.
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Die stabförmige Ausbildung der Strahlungsquellen und Träger, die vorzugsweise zylinderförmige Ausbildung des Reaktionsgefäßes, die Anordnung der Träger und Strahlungsquellen im Reaktionsgefäß und die Anordnung des Zulaufs und Ablaufs ermöglichen eine ausgewogene Hydromechanik während einer gesamten Prozessführung des fotochemischen oder fotobiologischen Prozesses. Es sind ein optimiertes Strömungsverhalten und eine optimierte Verweilzeit des Substrats am fotoaktiven Material und eine optimierte Bestrahlung des fotoaktiven Materials mit Licht der Strahlungsquellen ermöglicht. Des Weiteren sind die auf das fotoaktive Material wirkenden Scherkräfte minimiert, so dass dieses während des gesamten Prozesses sicher an den Trägern gehaltert ist. Zudem sind, wie bereits erwähnt, Kurzschlüsse und Toträume im Reaktionsgefäß vermieden. Dadurch ist eine Durchführung der fotochemischen bzw. fotobiologischen Prozesse optimiert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Darin zeigen:
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1A schematisch einen Längsschnitt eines Fotoreaktors,
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1B schematisch einen Querschnitt eines Fotoreaktors,
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2A schematisch eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Trägers,
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2B schematisch einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines Trägers,
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3A schematisch eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Trägers, und
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3B schematisch einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform eines Trägers.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1A zeigt schematisch einen Fotoreaktor 1 im Längsschnitt und 1B im Querschnitt. Mittels dieses Fotoreaktors 1 sind sowohl heterogene fotochemische, d. h. fotokatalytische Prozesse als auch heterogene fotobiologische Prozesse durchführbar.
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In fotobiologischen Prozessen erfolgt eine Aufzucht von fototrophen Mikroorganismen durch deren Bestrahlung mit Licht einer vorgegebenen Wellenlänge und unter Zuführung von Nährstoffen. In fotochemischen Prozessen erfolgt eine chemische Reaktion eines Stoffes oder Stoffgemisches bei Kontakt mit einem durch Licht einer vorgegebenen Wellenlänge aktivierten Katalysator.
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Der Fotoreaktor 1 weist ein zylinderförmig ausgebildetes Reaktionsgefäß 2 auf, beispielsweise aus Metall. In einem unteren Bereich des Reaktionsgefäßes 2 ist ein Zulauf 3 angeordnet, durch welchen ein Substrat in das Reaktionsgefäß 2 einströmen kann. Auf einer dem Zulauf 3 gegenüber liegenden Seite ist in einem oberen Bereich des Reaktionsgefäßes 2 des Fotoreaktors 1 ein Ablauf 4 angeordnet, durch welchen das Substrat wieder aus dem Reaktionsgefäß 2 ausströmen kann.
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Diese Anordnung des Zulaufs 3 und Ablaufs 4 ermöglicht eine Durchströmung des Substrats durch das komplette Reaktionsgefäß 2. Das Substrat ist bei einem fotobiologischen Prozess eine Nährstofflösung für die fototrophen Mikroorganismen und bei einem fotochemischen Prozess der Stoff oder das Stoffgemisch, bei welchem in Kontakt mit dem Katalysator eine chemische Reaktion erfolgt. Bei fotobiologischen Prozessen dient das Substrat des Weiteren bevorzugt zum Abtransport eines Stoffwechselproduktes der Mikroorganismen, welches von diesen durch Aufnahme von Nährstoffen und Bestrahlung mit Licht produziert wird. Dieses Stoffwechselprodukt ist zumeist das eigentlich gewünschte Erzeugnis, zu dessen Herstellung der fotobiologische Prozess auf diese Weise durchgeführt wird.
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Der Fotoreaktor 1 weist eine Mehrzahl von stabförmigen Trägern 5 für fotoaktives Material auf. Dieses fotoaktive Material ist in fotochemischen Prozessen fotochemisch, genauer gesagt fotokatalytisch aktives Material, d. h. ein Fotokatalysator, welcher im fotochemischen Prozess durch die Lichtbestrahlung als Katalysator für das den Fotoreaktor 1 durchströmende Substrat wirkt. In fotobiologischen Prozessen ist das fotoaktive Material fotobiologisch aktives Material, d. h. fototrophe Mikroorganismen.
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Des Weiteren weist der Fotoreaktor 1 eine Mehrzahl von stabförmigen Strahlungsquellen 6 auf. Die Strahlungsquellen 6 sind derart ausgebildet, dass sie eine für eine Aktivierung von fototrophen Mikroorganismen im fotobiologischen Prozess oder für eine Aktivierung von Fotokatalysatoren im fotochemischen Prozess optimale Strahlung über eine relativ große Grenzfläche homogen in das Reaktionsgefäß 2 verteilen. Dazu strahlen sie vorzugsweise Licht mit einer Wellenlänge von 300 nm bis 700 nm ab. In diesem Wellenlängenbereich liegen die bevorzugten Wellenlängen des Lichts zur Unterstützung des Wachstums von Mikroorganismen in fotobiologischen Prozessen oder zur Aktivierung des Fotokatalysators in fotochemischen Prozessen.
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Als Strahlungsquellen 6 sind beispielsweise Gasentladungsstrahler mit oder ohne Leuchtstoff einsetzbar, welche elektrodenbehaftet sind oder elektrodenlos anregbar sind. Des Weiteren sind beispielsweise auch Strahlungsquellen 6 einsetzbar, welche eine Mehrzahl von LED, d. h. Licht emittierenden Dioden aufweisen, beispielsweise angeordnet in einem Hüllrohr der stabförmigen Strahlungsquelle 6.
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Dabei sind hier nicht dargestellte elektrodenlos anregbare Gasentladungsstrahler besonders vorteilhaft, da sie eine besonders lange Lebensdauer aufweisen und eine Spektralverteilung der von diesen emittierten Lichtstrahlung in Abhängigkeit von einer Zusammensetzung eines Füllgases variabel gestaltbar ist. Des Weiteren ist eine geometrische Gestaltung eines Entladungsgefäßes der Gasentladungsstrahler, wenn diese elektrodenlos anregbar sind, in weiten Grenzen frei wählbar und dadurch an das Reaktionsgefäß 2, an die Träger 5 und an die Anordnung der Träger 5 und der Strahlungsquellen 6 im Reaktionsgefäß 2 anpassbar, um eine optimale Bestrahlung der Träger 5 zu erzielen.
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Die elektrodenlosen Gasentladungsstrahler durch ein elektromagnetisches Feld, d. h. induktiv oder kapazitiv von außen anregbar und dadurch zündbar, beispielsweise durch diese umgebende spulenförmige Leiterwindungen oder diese umgebende Kondensatorplatten. Um die Lichtabstrahlung nicht zu behindern, sind die Leiterwindungen bzw. die Kondensatorplatten jedoch vorzugsweise nicht direkt an den Strahlungsquellen 6, sondern beispielsweise an einer Innenwand 7 des Reaktionsgefäßes 2 angeordnet.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind elektrodenbehaftete Gasentladungsstrahler als Strahlungsquellen 6 eingesetzt. Daher weist die Strahlungsquelle 6 zu deren Energieversorgung an einem oberen Ende einen elektrischen Anschluss 8 auf.
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In 1A sind aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur eine Strahlungsquelle 6 und ein Träger 5 im Reaktionsgefäß 2 dargestellt. Eine Anordnung der Mehrzahl von Trägern 5 und der Mehrzahl von Strahlungsquellen 6 im Reaktionsgefäß 2 des Fotoreaktors 1 ist in 1B dargestellt.
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Die Träger 5 sind mit Trägerlängsachsen und die Strahlungsquellen 6 mit Strahlungsquellenlängsachsen parallel zueinander und jeweils parallel zu einer Reaktionsgefäßlängsachse ausgerichtet. Jeder Träger 5 ist von einer Mehrzahl in einem vorgegebenen Abstand zum Träger 5 kreisförmig oder kreisbogenförmig angeordneter Strahlungsquellen 6 umgeben und jede Strahlungsquelle 6 ist von einer Mehrzahl in einem vorgegebenen Abstand zur Strahlungsquelle 6 kreisförmig oder kreisbogenförmig angeordneter Träger 5 umgeben.
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Im hier dargestellten Beispiel ist in der Mitte des Reaktionsgefäßes 2 eine Strahlungsquelle 6 angeordnet, welche von sechs Trägern 5 konzentrisch umgeben ist, die gleichmäßig verteilt kreisförmig um die Strahlungsquelle 6 angeordnet sind. Dadurch ist das von dieser Strahlungsquelle 6 emittierte Licht optimal nutzbar.
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Jeder dieser sechs um die mittig im Reaktionsgefäß 2 angeordnete Strahlungsquelle 6 angeordneten Träger 5 ist zugleich auf Kreisbahnen zweier weiterer Strahlungsquellen 6 angeordnet, so dass jeder dieser sechs Träger 5 von drei Strahlungsquellen 6 konzentrisch umgeben ist, welche gleichmäßig verteilt kreisförmig um den jeweiligen Träger 5 angeordnet sind. Jede dieser weiteren Strahlungsquellen 6 ist mit weiteren Trägern 5 umgeben, welche auf einem Kreisbogen um die jeweilige Strahlungsquelle 6 angeordnet sind.
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Bei größeren Reaktionsgefäßen 2, welche einen größeren Innenraum aufweisen, setzt sich dies fort, bis der Innenraum komplett mit Strahlungsquellen 6 und Trägern 5 gefüllt ist. Bei den wie im hier dargestellten Beispiel ausgebildeten Trägern 5 und Strahlungsquellen 6 sollte möglichst jede Strahlungsquelle 6 von sechs Trägern 5 umgeben sein und jeder Träger 5 von drei Strahlungsquellen 6 umgeben sein und von diesen direkt bestrahlbar sein. Auf diese Weise ist eine Oberfläche der Träger 5, auf welcher das fotoaktive Material fixiert ist und welche den Strahlungsquellen 6 zugewandt ist, vollständig mit von den Strahlungsquellen 6 emittiertem Licht bestrahlbar.
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Weisen die Strahlungsquellen 6 und/oder die Träger 5 eine andere Ausformung auf, beispielsweise einen größeren oder kleineren Durchmesser, so sind auch andere Anordnungen der Strahlungsquellen 6 und Träger 5 möglich, beispielsweise eine andere Anzahl Strahlungsquellen 6, welche jeweils einen Träger 5 kreisförmig oder kreisbogenförmig umgeben und/oder eine andere Anzahl Träger 5, welche jeweils eine Strahlungsquelle 6 kreisförmig oder kreisbogenförmig umgeben.
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Die Träger 5 und Strahlungsquellen 6 sind in allen möglichen Ausführungsformen derart angeordnet, dass ein vorhandener Platz im Innenraum des Reaktionsgefäßes 2 optimal genutzt ist, wobei die Oberfläche jedes Trägers 5, auf welcher das fotoaktive Material fixiert ist, vollständig bestrahlbar ist und das von den Strahlungsquellen 6 emittierte Licht vollständig zur Bestrahlung der Träger 5 nutzbar ist.
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Im hier dargestellten Beispiel sind äußere Strahlungsquellen 6, welche nahe der Innenwand 7 des Reaktionsgefäßes 2 angeordnet sind, aufgrund des mangelnden Platzes im Reaktionsgefäß 2 jeweils lediglich von vier Trägern 5 kreisbogenförmig, d. h. nicht vollständig umgeben. Daher ist auch jeder der äußeren Träger 5, welcher nahe der Innenwand 7 angeordnet ist, lediglich von zwei Strahlungsquellen 6 umgeben, von welchen sie direkt bestrahlbar sind.
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Um dennoch auch bei diesen Trägern 5 die Oberfläche, auf welcher das fotoaktive Material fixiert ist, vollständig zu bestrahlen und das von diesen Strahlungsquellen 6 emittierte Licht vollständig zu nutzen, ist die Innenwand 7 des Reaktionsgefäßes 2 reflektierend für das von den Strahlungsquellen 6 abgestrahlte Licht ausgebildet. Dadurch ist das von den jeweils links und rechts der betreffenden Träger 5 angeordneten Strahlungsquellen 6 in Richtung der Innenwand 7 des Reaktionsgefäßes 2 abgestrahlte Licht von der Innenwand 7 in Richtung des nahe der Innenwand 7 angeordneten jeweiligen Trägers 5 reflektierbar, so dass auch die Oberfläche dieser Träger 5 und das darauf fixierte fotoaktive Material vollständig bestrahlbar ist.
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Durch die Anordnung der Strahlungsquellen 6 und der Träger 5 zueinander sind eine besonders homogene Verteilung des Lichtes im Reaktionsgefäß 2 und eine hohe Bestrahlungsleistung erreicht. Durch die stabförmige Ausbildung der Träger 5 sind besonders große fotobiologisch aktive bzw. fotokatalytisch aktive Oberflächen erreicht, da eine besonders große Oberfläche des Trägers 5 zur Fixierung des fotoaktiven Materials zur Verfügung steht. Durch die aufgrund der großen Menge anhaftenden fotoaktiven Materials fotobiologisch bzw. fotokatalytisch hoch aktiven und ausreichend stabilen Träger 5 sind signifikant verbesserte Eigenschaften des Fotoreaktors 1 erzielbar.
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Durch die stabförmige Ausbildung der Strahlungsquellen 6 und Träger 5, die zylinderförmige Ausbildung des Reaktionsgefäßes 2 und die Anordnung der Träger 5 und Strahlungsquellen 6 im Reaktionsgefäß 2 auf die beschriebene Weise ist das fotoaktive Material vollflächig bestrahlbar, so dass eine sehr hohe Bestrahlungsstärke bei einem nahezu vollständigen Ausschluss von Toträumen erreicht ist. D. h. im Reaktionsgefäß 2 ist kein Bereich vorhanden, in welchem fotoaktives Material nicht ausreichend bestrahlbar ist oder in welchem das das Reaktionsgefäß 2 durchströmende Substrat nicht ausreichend mit dem fotoaktiven Material in Kontakt kommt oder sich dort sammelt und nicht abfließt. Des Weiteren ist durch die Anordnung der Träger 5 konzentrisch kreisförmig oder zumindest kreisbogenförmig um die Strahlungsquellen 6 herum eine optimale Ausnutzung des von den Strahlungsquellen 6 emittierten Lichts erreicht.
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Die Träger 5 und die Strahlungsquellen 6 sind derart am Fotoreaktor 1 gehaltert, dass sie einfach und schnell zu entfernen, auszutauschen und einzusetzen sind. Dies ermöglicht ein leichtes Entnehmen der Träger 5 mit verbrauchtem fotokatalytisch aktivem Material bzw. zum Austausch des fotobiologisch aktiven Materials, d. h. der fototrophen Mikroorganismen. Ein leichtes Austauschen der Strahlungsquellen 6 ermöglicht deren einfachen Ersatz beispielsweise bei Defekten oder bei einem Austausch aufgrund anderer benötigter Wellenlängen des von den Strahlungsquellen 6 abgestrahlten Lichts. Dadurch ist eine Wartungszeit des Fotoreaktors 1 zwischen aufeinander folgenden fotochemischen bzw. fotobiologischen Prozessen minimiert.
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Im hier dargestellten Beispiel sind die Träger 5 und Strahlungsquellen 6 in Durchführungen eines Deckels 9 des Reaktionsgefäßes 2 angeordnet und beispielsweise durch Verschraubungen 10 an diesem gesichert. Dadurch sind sie nach einem Lösen der Verschraubungen 10 einfach herausziehbar. Des Weiteren ist beispielsweise auch der Deckel 9 vom Reaktionsgefäß 2 abnehmbar und die Strahlungsquellen 6 und insbesondere die Träger 5 auf diese Weise entnehmbar. Zu diesem Zeck ist der Deckel 9 beispielsweise durch nicht näher dargestellte Schrauben am Reaktionsgefäß 2 gesichert, so dass er nach einem Lösen der Schrauben auf einfache Weise abnehmbar ist.
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Um auch ein unteres Ende der Träger 5 und Strahlungsquellen 6 fest zu haltern und die Träger 5 und Strahlungsquellen 6 gegen eine Bewegung im Reaktionsgefäß 2 zu sichern, sind die Träger 5 und Strahlungsquellen 6 mit unteren Enden über Federelemente 11 gegen einen Boden 12 des Reaktionsgefäßes 2 gepresst. Dabei sind sie zweckmäßigerweise derart eingebaut, dass die Federelemente 11 unter Spannung stehen, so dass ein Herausrutschen der Träger 5 bzw. Strahlungsquellen 6 aus den Federelementen 11 und ein Verrutschen der Federelemente 11 am Boden 12 des Reaktionsgefäßes 2 vermieden ist. Die Federelemente 11 sind entweder am Boden 12 des Reaktionsgefäßes 2 befestigt und die Träger 5 bzw. Strahlungsquellen 6 sind in diese einführbar oder die Federelemente 11 sind auf die Strahlungsquellen 6 bzw. Träger 5 aufgesteckt und an den Boden 12 des Reaktionsgefäßes 2 anpressbar.
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Mit diesem Fotoreaktor 1 sind wichtige Parameter der fotobiologischen oder fotochemischen Prozesse optimiert. Diese bei fotobiologischen Prozessen die Kultivierung der fototrophen Mikroorganismen beeinflussenden Parameter sind ein spezifischer Lichteintrag, eine Versorgung mit Kohlendioxid, eine Nährstoffkonzentration und eine Hydromechanik für einen schnellen Nährstofftransport.
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Auch bei den heterogen katalytischen fotochemischen Prozessen spielt der Lichteintrag die entscheidende Rolle, gefolgt von der katalytischen Aktivität der bestrahlten Oberfläche der Träger 5 mit dem fotoaktiven Material.
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Um auch die Gaszufuhr sowohl bei fotobiologischen als auch bei fotochemischen Prozessen zu optimieren, weist jeder Träger 5 eine diesen auf der Trägerlängsachse durchdringende Gaszuführleitung 13 mit einer im Inneren des Trägers 5 gasdurchlässigen Wandung auf. Diese Wandung der Gaszuführleitung 13 im Inneren des Trägers 5 ist im hier dargestellten Beispiel aus feinporigem Schaumglas gebildet. Dieses Schaumglas weist, wie in den 2A und 3A näher dargestellt, Poren 14 auf, durch welche das zugeführte Gas in Richtung des fotoaktiven Materials entweichen kann. Durch diese Anordnung der Gaszuführleitung 13 ist eine Begasung, beispielsweise mit Kohlendioxid bei fotobiologischen Prozessen oder mit Luft oder Sauerstoff bei fotochemischen Prozessen, direkt auf das fotobiologisch oder fotochemisch aktive Material ermöglicht. Dadurch ist eine sehr feinblasige und homogen verteilte Gaszufuhr erreicht.
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Die 2A und 2B bzw. 3A und 3B zeigen zwei bevorzugte Ausführungsformen der Träger 5 des Fotoreaktors 1, wobei jeweils die von den Strahlungsquellen 6 bestrahlte Oberfläche des Trägers 5 vergrößert ist, um eine maximal mögliche Menge fotoaktiven Materials daran zu fixieren. Des Weiteren ist die Oberfläche derart ausgebildet, dass das fotoaktive Material möglichst fest halterbar ist. Zudem ist die Oberfläche derart ausgebildet, dass das Gas der Gaszuführleitung 13 diese durchdringen und das fotoaktive Material anströmen kann.
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In den 2A und 2B ist der Träger 5 hohl, d. h. hohlzylinderförmig ausgebildet und mit einem kleinstückigen Trägermaterial 15, welches im hier dargestellten Beispiel kugelförmig ausgebildet ist und auf welchem das fotoaktive Material angeordnet ist, gefüllt. Das fotoaktive Material, d. h. das fotokatalytisch bzw. fotobiologisch aktive Material ist an einer Oberfläche des kleinstückigen Trägermaterials 15 fixiert, welches die von den Strahlungsquellen 6 bestrahlte Oberfläche des Trägers 5 bildet.
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Das kugelförmig ausgebildete kleinstückige Trägermaterial 15 ist vorzugsweise poröses Material, beispielsweise Blähton, und weist daher eine besonders große Oberfläche auf, so dass besonders viel fotoaktives, d. h. fotokatalytisch bzw. fotobiologisch aktives Material sehr gut fixierbar und dem von den Strahlungsquellen 6 emittierten Licht aussetzbar ist. Das kugelförmig ausgebildete kleinstückige Trägermaterial 15 ist, wie in 2B dargestellt, als lose Schüttung in einen Ringraum des jeweiligen hohlen oder hohlzylinderförmig ausgebildeten Trägers 5 eingefüllt. Dazu weist der Träger 5 eine gitterförmige Ummantelung 16 auf, welche den Ringraum bildet. Des Weiteren ist in 2A die Gaszuführleitung 13 mit den Poren 14 zur Gasauströmung näher dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist das kleinstückige Trägermaterial 15, welches sich hinter der gitterförmigen Ummantelung 16 befindet, in 2A nicht dargestellt.
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Diese Ausführungsform ermöglicht eine optimierte Anströmung des Substrats an das fotoaktive Material, eine optimierte Begasung des fotoaktiven Materials und eine optimierte Bestrahlung des fotoaktiven Materials mit Licht der Strahlungsquellen 6. Das kleinstückige Trägermaterial 15 und das daran fixierte fotoaktive Material sind durch den Ringraum des Trägers 5 gut gegen auftretende Scherkräfte aufgrund des vorbeiströmenden Substrats gesichert und gehaltert.
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In der in den 3A und 3B dargestellten Ausführungsform weisen die Träger 5 ein textiles Trägermaterial 17 auf, auf welchem das fotoaktive Material fixiert ist. Dieses textile Trägermaterial 17 kann am Träger 5 befestigt sein oder im Ringraum des Trägers 5, welcher beispielsweise ebenfalls durch eine gitterförmige Ummantelung 16 gebildet ist, angeordnet und auf diese Weise gegen auftretende Scherkräfte gesichert sein.
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Das fotoaktive Material, d. h. das fotokatalytisch bzw. fotobiologisch aktive Material ist auf einer den Strahlungsquellen 6 zugewandten Oberfläche des textilen Trägermaterials 17 fixiert. Dieses textile Trägermaterial 17 ist fächerförmig gefaltet am Träger 5 angeordnet. Dadurch ist eine sehr große Trägermaterialfläche für das fotoaktive Material erzielbar, welche dennoch optimal von den Strahlungsquellen 6 mit Licht bestrahlbar, vom Substrat anströmbar und über die Gaszuführleitung 13 begasbar ist. Auf diese Weise ist ein optimiertes Wachstum der auf dem textilen Trägermaterial 17 angeordneten Mikroorganismen in fotobiologischen Prozessen bzw. eine optimierte Aktivierung des auf dem textilen Trägermaterial 17 angeordneten Fotokatalysators in fotokatalytischen Prozessen ermöglicht.
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Dabei ist das textile Trägermaterial 17 kostengünstig einsetzbar. Aufgrund seiner porösen Textilstruktur bietet das textile Trägermaterial 17 einen sehr guten Halt für das fotokatalytisch bzw. fotobiologisch aktive Material und es ist eine optimale Begasung von der Rückseite des textilen Trägermaterials 17 durch dieses hindurch direkt auf das fotokatalytisch bzw. fotobiologisch aktive Material ermöglicht. In 3A ist zur Verdeutlichung die Gaszuführleitung 13 mit den Poren 14 für den Gasaustritt hinter dem textilen Trägermaterial 17 dargestellt.
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Mittels eines derartigen Fotoreaktors 1 sind sowohl fotochemische, d. h. fotokatalytische Prozesse als auch fotobiologische Prozesse optimiert durchführbar. Die stabförmige Ausbildung der Strahlungsquellen 6 und Träger 5 und die Ausbildung des Trägermaterials 15, 17, auf welchem das fotoaktive Material fixiert ist, die zylinderförmige Ausbildung des Reaktionsgefäßes 2, die Anordnung der Träger 5 und Strahlungsquellen 6 im Reaktionsgefäß 2 und die Anordnung des Zulaufs 3 und Ablaufs 4 ermöglichen eine ausgewogene Hydromechanik während einer gesamten Prozessführung des fotochemischen oder fotobiologischen Prozesses. Es sind, insbesondere aufgrund der Anordnung des Zulaufs 3 und des Ablaufs 4, ein optimiertes Strömungsverhalten und eine optimierte Verweilzeit des Substrats am fotoaktiven Material und durch die Anordnung der Strahlungsquellen 6 und Träger 5 eine optimierte Bestrahlung des fotoaktiven Materials mit Licht der Strahlungsquellen 6 ermöglicht.
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Des Weiteren sind auf diese Weise auf das fotoaktive Material wirkende Scherkräfte minimiert, so dass dieses während des gesamten Prozesses sicher an den Trägern 5 gehaltert ist. Durch die Anordnung des Zulaufs 3 und des Ablaufs 4 in unterschiedlichen Bereichen des Fotoreaktors 1, d. h. nicht nur an gegenüber liegenden Enden, sondern auch an gegenüber liegenden Seiten des Fotoreaktors 1, ist ein Durchfluss des Substrats durch das Reaktionsgefäß 2 des Fotoreaktors 1 optimiert. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Anströmung des fotoaktiven Materials aller Träger 5 mit dem Substrat. Insbesondere sind dadurch Toträume vermieden, welche nicht optimal vom Substrat durchströmbar sind. Des Weiteren sind dadurch Kurzschlüsse vermieden, d. h. ein wirkungsloses Durchströmen des Substrats durch das Reaktionsgefäß 2 vom Zulauf 3 zum Ablauf 4, ohne die Träger 5 und das an diesen angeordnete fotoaktive Material ausreichend zu passieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fotoreaktor
- 2
- Reaktionsgefäß
- 3
- Zulauf
- 4
- Ablauf
- 5
- Träger
- 6
- Strahlungsquelle
- 7
- Innenwand
- 8
- elektrischer Anschluss
- 9
- Deckel
- 10
- Verschraubung
- 11
- Federelement
- 12
- Boden
- 13
- Gaszuführleitung
- 14
- Pore
- 15
- kleinstückiges Trägermaterial
- 16
- gitterförmige Ummantelung
- 17
- textiles Trägermaterial
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/145719 A1 [0008]
- WO 02/062465 A1 [0009]
- DE 202006003878 U1 [0010]
- DE 102007057869 B3 [0011]
- DE 102005007771 A1 [0012]
- DE 69605309 T2 [0013]
- DE 69133288 T2 [0014]
- DE 20015884 U1 [0015]
- DE 10154943 C1 [0016]
- DD 281408 A5 [0017]
- DD 279668 A1 [0018]
- DE 102005003966 A1 [0019]
