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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Vermehrung aquatischer Pflanzen gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Aus der
DE 10 2008 050 974 A1 ist ein Bioreaktor bekannt in Form eines geschlossenen CO2-begasten Gewächshauses mit in Etagen aufgestapelten Aquakulturflächen. Dabei sind in den Aquakulturen mixotrophe Schwachlichtpflanzen angelegt, die lediglich nur ein photonische Anregung benötigen, aber den gesamten Wachstumsprozess nicht mehr nur aus Photosynthese, sondern gemäß der genannten mixitrophen Eigenschaft erhebliche Energieanteile aus biochemischen Prozessen gewinnen. Da diese Schwachlichtpflanzen somit keine Voll-Exposition zum Sonnenlicht mehr brauchen, ist es möglich auf solche aquatischen Pflanzen, wie bspw Lemnacea die vorhandene Lichtmenge zu verteilen, und somit die Aquakulturen zu stapeln. Auf diese Weise ist es nun möglich, dass auf einer gegebenen Grundfläche des Bioreaktors (Gewächshauses besonderer Art, nämlich hermetisch abschließbar mit geschlossenen Gas und Stoffzyklen) nun ein Vielfaches der Grundfläche als Aquakulturfläche kompakt unterzubringen.
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Von dieser an sich vorteilhaften Ausgestaltung ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Enrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend zu verbessern, dass es zu einer möglichst guten Lichtverteilung durch alle Etagen hindurch kommt, derart, dass auch die unteren Etagen noch so viel Licht bekommen, wie die Schwachlichtpflanzen zur Stimulation benötigen.
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Die gestellte Aufgabe ist bei einer Einrichtung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Kern der Erfindung ist hierbei, dass die in Etagen übereinander gestapelten Wannen in einer Stellagenanordnung platziert sind, bei welcher jeweils zwei benachbarte Stellagenreihen jeweils gegenläufig schräg nach oben verlaufen, derart, dass jeweils zwei Stellagen samt der darauf platzierten Wannen nach oben aufeinanderzulaufend angeordnet sind, und dass solche Zweiergruppen von Stellagen parallel nebeneinander aufgestellt sind, in der Weise, dass über die Gesamtbreite des Bioreaktors sich ein alternierender Wechsel von nach oben aufeinanderzulaufenden und sich voneinander entfernenden Stellagenverläufe ergibt. So ergibt sich über die Breite abwechselnd jeweils zwei nach oben aufeinander zulaufende Stellagen und daneben wieder zwei nach oben auseinanderlaufende Stellagen. So entstehen abwechselnd kaminartige, nach oben verjüngende Zwischengänge, und dann wieder nach sich erweiternde Zwischengänge. Die sich nach oben verjüngenden Zwischengänge bilden zugleich eine gute Kaminwirkung, bei einer Bioreaktorhöhe von 10 bis 20 metern. Damit wird eine gute und stete CO2-Durchmischung im Bioreaktor erreicht. CO2 ist Energierohstoff für die aufschwimmenden aquatischen Pflanzen, und da dies schwerer als Luft ist, würde dies immer absinken. Die Kaminwirkung trägt das CO2 stärker auch in die oberen Stellagen, weil ansonsten das eingespeiste CO2, weil es schwerer ist als Luft, sich unten sammeln würde, und oben verarmen würde. Dadurch, dass extrem schnellwüchsige Biomasse generiert wird, muss auch entsprechend viel CO2 immer nachgeführt werden, da der Biomassenertrag direkt abhängig ist von einer hohen CO2-Dauerdosis. Dies insbesondere unter dem Aspekt des mixotrophen Wachstums.
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Mit der erfindungsgemäßen Lehre werden mehrere Effekte kummulativ erzielt.
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So wird zum einen aufgrund der durch die gestapelten Wasserkulturen hochbauenden Wasserlast eine günstige Aussteifung und Stabilität durch die geneigten Flanken erzielt. Zum anderen wird bei großen CO2-Mengen resobierendem Massenwachstum das CO2 durch Kaminwirkung gut und stetig verteilt. Ferner erfolgt ein hoher effektiver Lichteintrag bei vergleichsweise hoher Packungsdichte, von bis zu 5 Etagen pro Meter in der Höhe, oder sogar mehr. Auch hierbei sei nochmals darauf hingewiesen, dass es sich bei den so kulturvierten aquatischen Pflanzen um Schwachlichtpflanzen handelt (wie Bspw lemnacea) die ihren Energieientrag mixitroph gestalten, also nicht ausschließlich photonisch, sondern auch biochemisch.
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Ferner wird bei dieser Anordnung zugleich erreicht, dass Serviceschächte entstehen, die begehbar sind.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass jeweils die beiden nach oben aufeinander zulaufenden Stellagen ein zusammenhängendes, aus Tragelementen versehenen Trägersystem sind, und dass der sich zumindest unten ergebende Abstand zwischen den beiden schrägen Flanken einen sich über die Tiefe der Stellagenreihe erstreckenden begehbaren Servicegang ergibt. So bildet der Abstand zugleich auch jeweils eine gute Begehbarkeit des Reaktors bei gleichzeitig maximaler Aquakulturfläche.
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Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass zwischen den Stellagenreihen nach oben als Aufwindtürme und zugleich zur statischen Ausstützung der Stellagenanordnung wirkende vertikale Kamine angeordnet sind, über welche es zu einer zusätzlich kanalisierten selbsttätigen Durchströmung und Durchmischung mit CO2-reicher dem Bioreaktor zugeführter Luft kommt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist, dass die Tragelemente des Trägersystems aus Profilträger, wie T- oder Doppel-T-Trägern bestehen.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist, dass die Tragelemente des Trägersystems aus Rohren bestehen.
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Aufgrund der hochbauenden Anordnung einer solchen Stellagenanordnung entsteht bei Aquakulturen in den gestapelten Wannen eine in die Höhe gebaute Wasserlast.
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Damit bestehen hohe Anforderungen an die Statik.
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Gleichzeitig müssen große Kulturflächen mit hoher Stapeldichte angelegt werden, um maximalen Biomassenertrag zu generieren. Aus diesen Anforderungen ist die Konstruktion der Stellagen zum Stapeln der Wasserwannen mit Hilfe von Rohren sehr vorteilhaft, in Bezug auf hohe Statik bei preiswerter Bauweise.
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Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass die zur Stützung der Wannen notwendigen Querträger mittels Rohrschellen am Rohr-Trägersystem befestigt werden. Die Tatsache, dass die Flanken der Stellagen schräg aufgestellt sind, die Querträger für die Wasserwannen aber exakt horizontal sein müssen, ergeben sich Kipp-Kräfte zwischen Rohrschelle und Stellage, die eine enorme starre und gute rutschgesichere mechanische Verbindung ergeben. Ein weiterer mechanischer Effekt tritt damit vorteilhaft in Erscheinung. Wenn dieses System hochbauend eingesetzt wird, d. h. bis 20 meter oder mehr, dann wird durch die leichte Verkantung der Rohrschelle zum Rohr eine lokale mechanische Spannung dort in das Rohr eingebracht. Dieser so gebildete Spannungsknoten im Rohr versteift die Konstruktion erheblich, weil diese Spannungsknoten sich in regelmäßigen Abständen nach oben fortsetzen. Dies ist der Stabilitätsstruktur eines Weizenhalms nachempfunden, weil dieser sein Stabilität ebenfalls auch regelmäßigen Knoten erhält.
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Auch dieser Aspekt ist bei dem erfindungsgemäßen Bioreaktor eine konsequente bionische Anwendung.
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In weiterer vorteilhafte Ausgestaltung ist angegeben, dass die einzelnen Etagen so zueinander angeordnet sind, dass jeweils zwei benachbarte Etagen auf unterschiedlicher Höhe zueinander liegen. So kommt es zu einem erheblich günstigeren Lichteinfall, als wenn die benachbarten Etagen jeweils auf gleicher Höhe wären.
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Da der effizienten Lichtverteilung im Bioreaktor die auschlaggebende Bedeutung zukommt, bewirkt die Summe solcher kleinen Effekte eine deutliche Effizienzsteigerung.
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Optimal ist, wenn der Höhenversatz jeweils der halbe Abstand zweier übereinander gestapelter Wannen ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Wannen ansonsten die gleiche Breite aufweisen.
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Dadurch, dass die Flanken entsprechend geneigt sind, und auch die Wannen gleich breit sind, folgen auch die vorderen Ränder der Wannen derselben Neigung und es wird so einer übermäßigen Abschattung entgegen gewirkt.
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Weiterhin ist ausgestaltet, dass zwischen mindestens zwei der übereinandergestapelten Wannen Kunstlichtquellen auch zur nächtlichen oder zusätzlichen Stimulation der Pflanzen angeordnet sind, und dass diese in der Wellenlänge derart varierbar sind, dass aus dem über Lichtsensoren gemessenen Reflexionsgrad die jeweils von der jeweiligen aquatischen Pflanzensorte bevorzugt absorbierte Wellenlänge automatisch ermittelt, und so über eine Steuereinrichtung automatisch auswähl-, bzw einstellbar ist. Beim Einsatz aquatischer Kulturen, bspw Schwachlichtpflanzen wie Lemnacea, führt diese Stimulation zur vorteilhaften Reifung gewünschter Inhaltsstoffe. Hierzu wird aber kein gesamtes Mischlicht (Weißlicht) benötigt, sondern nur ausgewählte Wellenlängen.
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Eine diesbezügliche Ausgestaltung ist, dass neben den bevorzugten Wellenlängen auch noch ein Mischanteil von 5% bis 20% Weißlicht zuführbar ist. Dies führt zu einem positiven Effekt und einem gut ausgeprägten Inhaltsstoffspektrum der Lemnacea.
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Um eine weitere Verbesserung der Lichtverteilung zu erreichen ist ausgestaltet, dass zumindest die Unterseiten der Wannen aus einer zumindest diffus reflektierenden Oberfläche besteht.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass diffuse Lichtstreumittel zwischen den Stellagen von oben nach unten hängend platziert sind, welche aus einem in ein grobes offenes Gewebe eingenähte diffus reflektierende Metall- oder Kunststoffstreifen bestehen.
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Dies ist erheblich einfach, und außerdem leicht. Dadurch, dass diese Bänder oder Gewebe von oben nach unten hängen, ergibt sich durch die Thermik innerhalb eines großen und hochbauenden Bioreaktors eine stete selbsttätige Bewegung dieser Lichtstreumittel, wodurch es zu einer guten Streulichtverteilung kommt.
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Eine besonders effektive Ausgestaltung besteht darin, dass Reflexionsspiegel vorgesehen sind, die auf dem Bioreaktor, oder innerhalb des Bioreaktors zumindest oben platziert sind und optisch mit den Reflexionsmitteln korrespondieren. So ergibt sich eine effektive Lichtverteilung im Bioreaktor.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die vertikalen Abstände der Wannen (Etagen) zueinander unten größer ist als oben. So wird der Tatsache Rechnung getragen, dass bei sehr hochbauenden Bioreaktoren unten weniger Licht ankommt als oben. Daher kann unten weniger Licht verteilt werden als oben und die Etagen sind unten weiter beabstandet als oben.
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In letzter ganz erheblicher Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Rohre der Stellagenanordnung innen mit Wasser und/oder Gas zur Kühlung und Heizung des Bioreaktors durchströmt sind, und dass im Falle des Heizbetriebes hierzu Niedertemperaturabwärme eingesetzt wird. Das Wasser kann auch mit Frostschutzmitteln oder Glycerin vermischt sein. Dies ist vo erheblichem Vorteil für diese Art Stellagen-Bioreaktor. Der Grund dafür ist der, dass die dichte, aber lichtreduzierte Kultivierung der genannten aquatischen Kulturen nur möglich ist, wenn die mixotrophe Energiebilanz für die Biomasseproduktion stimmt. Hierbei spielt die Energiekomponente WÄRME neben Düngung und CO2-Zufuhr ein zentrale Rolle. Niedertemperaturabwärme im Bereich von 25 bis 50°C ist energetisch nicht mehr direkt verwertbar. In dem genannten Bioreaktor ist dies aber hochwertvolle Wärme auf genau dem richtigen Temperaturniveau, und dient bei diesen mixotrophen Kulturen als einer der benötigten Enrgiebeiträge zur biologischen bzw biochemischen Produktion von Biomasse.
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Mittels dieser erheblich vorteilhaften Ausgestaltung wird genau diese Wärme direkt an die Aquakulturen gebracht, indem so gewärmtes Wasser oder Gas oder Gas-Wasser-Gemisch direkt durch die Stellagenrohre geleitet wird. Diese koppeln über die Metallverbindungen direkt an die Wannnen an und wärmen so stetig das Kulturwasser darin.
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Somit ist die so gesteuerte Heizung mit in die Stellagen integriert, was Wärmeverluste reduziert.
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Die Quelle für Niedertemperaturabwärme sind Biomasseverwertungen wie Biogasanlagen, Bioethanolanlagen, Abwasserbehandlunganlagen, Energieerzeugungslagen, chemische Anlagen, die vorzugsweise mit der im Bioreaktor erzeugten Biomasse gespeist werden. So entstehen nicht nur geschlossene Stoffkreisläufe, sondern auch geschlossene Wärmekreisläufe und -ankopplungen.
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Durch das selbe Rohr-Stellagensystem kann im Hochsommer wiederum mit dem so erstellen Wasserkreislauf auch auf eine möglichst gleiche Temperatur gekühlt werden. Bspw wird sich die Spitze des Reaktors durch Sonneneinstrahlung auf bis zu 50°C aufheizen, während die Kulturen unten auf kaum mehr als 20°C liegen. Eine Zirkulation von Wasser und/oder Gas durch die Rohre von unten nach oben und umgekehrt führt dann zu einer Kühlung der oberen Stellagen und einer Anwärmung der unteren Stellagen auf möglichst einheitlich 30°C im Mittel, was für Lemnacea die optimale Temperatur ist. Zusätzlich kann anfallende übermäßige Wärme auch noch zur Beheizung von Fischbecken oder Gebäuden verwendet werden.
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Zu weiteren Aussteifung und Begehbarkeit der hockbauenden Stellagenanordnung können auch quer verlaufendende Inspektionsgänge in der Höhe vorgesehen werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
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Es zeigt:
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1: Seitenansicht auf eine nach hinten fluchtende Anordnung von Stellagen
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2: Draufsicht auf Anordnung nach 1
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3: Anordnung von übereinander angeordneten Wannen mit integriertem Kunstlichtsystem
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4: Anordnung zur Bestimmung der geeigneten Wellenlänge bei biogener Maximalabsortion
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1 zeigt eine Anordnung in Seitenansicht auf eine nach hinten laufende Stellagenanordnung. Hierbei sind lediglich 2 Stellagen repräsentierend parallel platziert.
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Diese Stellagen füllen einen Bioreaktor, der aus einem hermetisch abschließbaren, mit CO2 begasbaren Gewächshaus besteht. Dies Hülle ist hierbei nicht weiter dargestellt.
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Die Stellagen 2 haben dabei geneigte Flanken. Dabei sind sie so zusammengestellt, dass die Flankenneigung von links nach rechts gesehen alternierend ist. So entstehen ganz spezifische Schachtformen. Die erste Schachtform A erweitert sich nach oben und die zweite Schachtform B verjüngt sich nach oben. Diese haben unterschiedliche Funktionen. Die erweiternden Schachtformen A dienen als Lichteinfallsschächte, während die verjügenden Schachtformen B eine Kaminwirkung in die Höhe haben. Um einen gesamten Reaktor zu füllen sind die Stellagen alterniernd in dieser Weise fortgesetzt, von links nach rechts gesehen, wechseln sich die Schachtformen somit fortwährend ab. So kommt auch für Schwachlichtpflanzen ausreichend Licht hineien, was wiederum ein höhere Packungsdichte in Konsequenz hat, als wenn die Schächte in die Höhe gerade, d. h. senkrecht zum Boden verlaufen würden.
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Im rechten Bildteil sind nur einige Quertraversen 6' und 6'' zum Auflegen flacher Wasserwannen als Kulturflächen zu sehen.
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Wichtig ist hierbei, um die Lichtverteilung weiter zu optimieren, dass die linke Quertraverse 6' auf einer anderen Höhe liegt als die rechte Quertraverse 6''. Der Höhenversatz 5 beträgt etwa der halbe Stapelabstand. So erfolgt ein seitlicher Streulichteinfall ohne zusätzliche Abschattung. Zusätzlich sind die Unterseiten der Wannen noch mit Licht streuenden Oberflächen versehen.
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Der Detailkreis zeigt die Verbindung zwischen aufrechtem Rohr der Stellage, und der Quertraverse. Diese Verbindung erfolgt über Rohrschellen. Der Vorteil von Rohrschellen ist, dass sich beim Aufbau die Höhen variieren lassen, weil erfindungsgemäß unten, dort wo weniger Licht ankommt die Abstände von Etage zu Etage größer eingestellt werden als oben, wo mehr Licht zur Verfügung steht. Diese Maßnahme tendiert dann dem ungünstigen Verteilungseffekt entgegen zu wirken.
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Die Benutzung von Rohrschellen hat aber in Bezug auf die leichte Neigung in den Flanken der aufrecht stehenden Rohre 3 die Wirkung, dass diese leicht verkanten, weil die Quertraverse 6 und das Rohr 3 nicht ideal senkrecht aufeinander stehen. Durch diese gewollte leichte Verkantung bei der Befestigung entsteht auch bei Benutzung einer Rohrschelle eine enorme Stabilität und die Rohrschelle 7 samt Quertraverse 6 ist an einem allmählichen Abrutschen nach unten gehindert.
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Darüber hinaus zeigt 1 noch, dass zumindest die aufrecht stehenden Rohre mit Wasser oder Wasser-Gas Gemisch oder Gas durchströmt werden, welche die Niedertemperaturabwärme aus den genannten Prozessen in dieses Stellagensystem einspeist. So wird das Stellagensystem selbst zu einem Heizkörper. In den Stellagen sind dann die Kulturwannen platziert, die diese Wärme durch Wärmeleitung aufnehmen. Eine Durchströmung von unten nach oben und umgekehrt bringt so zumindest im Winterbetrieb so nutzbare Abfallwärme in den Bioreaktor mit ein. Außerdem führt es auch zu einer Vergleichmäßigung der Temperatur im Sommerbetrieb des Bioreaktors, in der die Spitze bis zu 50°C heiss wird und unten nur 20°C vorliegen. Hierzu kann das Kühl- oder Heizmittel dann entlang der Pfeile (mit schwarzen Pfeilspitzen) auch im Kreislauf geführt werden. Durch die Durchströmung erfolgt oben eine Kühlung und unten ein Temperaturanhebung auf vorzusweise im Mittel 30°C, was der optimale Energieeintrag zur Mixotrophie der aquatischen Schwachlichtkulturen ist.
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2 zeigt die Anordnung gemäß 1 in Draufsicht.
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Das gesamte System besteht somit aus Rohren. Rohre haben den Vorteil leichtbauend und dennoch stabil zu sein.
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Außerdem sind die Stellagen durch die Verwendung von Rohrschellen in der Höhe verstellbar. Aus Übersichtsgründen sind in dieser Darstellung nicht die Wannen gezeigt.
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In den mittleren Schächten B sind hierbei zusätzlich Aufwindrohre senkrecht in die Struktur implementiert und bilden statisch eine weitere vertikale Versteifung und verstärken die Kaminwirkung zur Umwälzung von tendenziell nach unten absinkendem CO2 wieder nach oben.
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3 zeigt exemplarisch mehrere übereinander gestapelte Wannen 4. An den zur jeweils nach unten weisenden Wannenunterseite können Kunstlichtsysteme 10 platziert sein, wie bspw energiearme Leuchtdioden, mit deren Hilfe die Aquakulturen zustätzlich mit Kunstlicht spezifischer Wellenlängen stimuliert werden können, um bspw ganz bestimmte gewünschte Inhaltsstoffe zu generieren. Hierbei sind, um dies möglichst effizient zu bewirken auch Photosensoren 11 so platziert, dass sie das von den Aquakulturpflanzen reflektierte Licht erkennen.
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Sowohl die Wellenlängensteuerung des Kunstlichtsystems, als auch die Photosensorik werden über ein intelligentes Steuerungssystem 10 verbunden, wie dies 4 zeigt.
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Die Unterseiten der Wannen können zur effizienten Streulichterzeugung und -relexion mit streulichtreflektierenden Oberflächen 8 versehen sein.
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Dies kann bspw bei der Verwendung von gewalzten Aluminium allein durch die Oberfläche des so behandelten Wannenmaterials einfach bewerkstelligt werden.
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4 zeigt den regelungstechnischen Zusammenhang. As Kunstlichtsystem 9 wird über die Steuerung 10 in der Wellenlänge λ variiert. Von der jeweils eingestrahlten Wellenlänge abhängig wird der Sensorwert des Photosensors erfasst. Bei denjenigen Wellenlängen, bei denen die Reflexion von den aquatischen Pflanzenoberflächen minimal ist, bedeutet dies, dass genau diese jeweilige Wellenlänge stark absorbiert wird. Auf diese Weise sind die pflanzenspezifisch biochemisch optimalen Wellenlängen einfach ermittelbar und können so dann auf das Kunstlichtsystem gesteuert werden. Dies in Kombination mit dem Stellagensystem ermöglicht auch einen energiearmen Nachtzyklus der Schwachlichtpflanzen, und die Biomassenerträge können trotz dichter Stapelung bei den Schwachlichtfplanzen so optimiert werden. Mit anderen Worten, trotz dichter Stapelung werden somit die mixotrophen Stoffwechsel der genannten Pflanzen biomassenoptimal angeregt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bioreaktor
- 2
- Stellagenanordnung
- 3
- Stellagenrohr, aufrecht
- 4
- Wannen für Aquakultur
- 5
- Höhenversatz
- 6
- Quertraverse,
- 6'
- Quertraverse links
- 6''
- Quertraverse rechts
- 7
- Rohrschelle
- 8
- Diffus reflektierende Oberflächen
- 9
- Kunstlichtsystem
- 10
- Steuerung für Kunstlichtsystem
- 11
- Photosensor, in Reflexion
- 12
- Wasser(Abwärme/Kühlwasser)-Einspeisung
- A
- Lichteinfallschacht
- B
- Kaminschacht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008050974 A1 [0002]
