DE102011087171B4

DE102011087171B4 - System zum Kultivieren und Wiedergewinnen von Mikroalgen

Info

Publication number: DE102011087171B4
Application number: DE102011087171.3A
Authority: DE
Inventors: Kwang Mo Seong
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2022-04-28
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: KR101382989B1; CN102978102B; KR20130025742A; DE102011087171A1; CN102978102A; US20130059368A1; US8940531B2

Abstract

System zum Kultivieren und Wiedergewinnen von Mikroalgen, welches umfasst:
eine Photobioreaktoreinheit (10) zum Kultivieren von Mikroalgen durch eine photochemische Reaktion, um eine Mikroalgenabscheidung zu erzeugen;
eine Flotations-Trennvorrichtung (20) zum Trennen der abgeschiedenen Mikroalgen;
eine Zentrifugal-Trennvorrichtung (30) zum Konzentrieren der abgetrennten Mikroalgen; und
einen Mikrobläschen-Generator (40) zum Erzeugen von Kohlendioxid-Mikrobläschen enthaltendem Prozesswasser und zum Einführen des erzeugten Prozesswassers in die Photobioreaktoreinheit (10) und die Flotations-Trennvorrichtung (20).

Description

HINTERGRUND
(a) Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Kultivieren und Wiedergewinnen von Mikroalgen unter Bindung von Kohlendioxid.
(b) Stand der Technik
Abgase, einschließlich Kohlendioxid, müssen in vielen Industriebereichen aus Umweltschutzgründen behandelt werden. Kohlendioxid kann chemisch oder biologisch behandelt werden. Eine der biologischen Behandlungsmethoden ist es, Mikroalgen zur Aufnahme von Kohlendioxid zu benutzen. Die Behandlung von Kohlendioxid unter Benutzung von Mikroalgen ist jedoch langsam und benötigt viel Platz, was es schwierig macht, diese Behandlungsmethode zu vermarkten.
1 ist ein Diagramm, welches ein herkömmliches System zum Kultivieren von Mikroalgen unter Benutzung von Airlift-Bioreaktoren darstellt. In dem herkömmlichen System werden Mikroalgen in einem Kulturmedium kultiviert, welches sich in einem Airlift-Photobioreaktor 1 oder in in Reihe angeordneten Airlift-Photobioreaktoren 1 befindet. Kohlendioxid wird dem Kulturmedium mittels eines am Boden des Luft-Photobioreaktors 1 installierten Diffusors 2 zugeführt.
2 ist ein Diagramm, welches ein herkömmliches System zum Kultivieren von Mikroalgen mittels eines Photobioreaktors darstellt, der eine Trennmembran enthält. Die Mikroalgen werden in einem Kulturmedium kultiviert, das sich in einem mit einer Trennmembran 7 und einem Rührwerk 6 ausgestatteten Photobioreaktor 5 befindet. Das Kulturmedium und die Mikroalgen werden aus dem Photobioreaktor 5 abgeführt, unter Zufuhr von Kohlendioxid durch eine hohle Fasermembran 8 geleitet und dann in den Photobioreaktor 5 eingeführt.
Diese herkömmlichen Systeme sind jedoch problematisch. Die Nutzungseffizienz von Kohlendioxid ist verhältnismäßig gering, die abgeschiedenen Mikroalgen können zum Verstopfen eines Diffusors führen, eine langlebige Trennmembran ist relativ kostspielig, der Gesamtprozess ist ziemlich kompliziert und für den Betrieb der Systeme wird viel Platz benötigt.
WO 2011/008784 A2 offenbart ein Verfahren zum Abernten von Mikroalgen aus einer verdünnten wässrigen Lösung von Mikroalgen unter Verwendung einer hydrophoben Lösung. US 2009/0148927 A1 beschreibt ein Verfahren zur Massenproduktion von Algen. WO 2010/132553 A2 wiederum offenbart ein Verfahren und ein System zur Algenproduktion aus Nebenprodukten der Schmutzwasserbehandlung.
Die obigen, in diesem Bereich des Standes der Technik offengelegten Informationen dienen nur dem besseren Verständnis des Hintergrundes der Erfindung und können deshalb Informationen beinhalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der hierzulande dem Fachmann bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Ein System zum Kultivieren und Wiedergewinnen von Mikroalgen beinhaltet eine Photobioreaktoreinheit zum Kultivieren von Mikroalgen mittels einer photochemischen Reaktion, um eine Mikroalgenabscheidung zu erzeugen, eine Flotations-Trennvorrichtung zum Trennen der abgeschiedenen Mikroalgen, eine Zentrifugal-Trennvorrichtung zum Konzentrieren der abgeschiedenen Mikroalgen und einen Mikrobläschen-Generator zum Erzeugen von Kohlendioxid-Mikrobläschen enthaltendem Prozesswasser und zum Einleiten des erzeugten Prozesswassers in die Photobioreaktoreinheit und die Flotations-Trennvorrichtung.
In einigen Ausführungsformen kann das System ferner einen Kulturmedium-Regenerator zur Aufnahme von Abfallkulturmedium aus wenigstens einer der Photobioreaktoreinheit, der Flotations-Trennvorrichtung und der Zentrifugal-Trennvorrichtung und zum Regenerieren des aufgenommenen Abfallkulturmediums durch die Zufuhr von Nährstoffen umfassen. Vorzugsweise kann das regenerierte Kulturmedium der Photobioreaktoreinheit durch eine Umwälzpumpe zugeführt werden.
In einigen Ausführungsformen kann die Photobioreaktoreinheit einen Photobioreaktor umfassen, welcher aufweist: ein Kulturgefäß zur Aufnahme von Kulturmedium und Mikroalgen; und ein Überlaufrohr, welches in das Kulturgefäß longitudinal so eingebracht ist, dass ein Ende des Überlaufrohres außerhalb des Kulturgefäßes positioniert ist. In diesem Fall umfasst das Kulturgefäß einen Einlass zur Aufnahme des regenerierten Kulturmediums aus dem Kulturmedium-Regenerator, das Kohlendioxid-Mikrobläschen aus dem Mikrobläschen-Generator Wasser enthaltende Wasser, oder beides, und einen Auslass zum Abführen des enthaltenen Kulturmediums, Mikroalgen, oder beides, in dem Kulturgefäß.
In einigen Ausführungsformen kann der Photobioreaktor mit einem Mikroalgen-Abführgerät zum Abführen der Mikroalgen, die in einem unteren Teil des Kulturgefäßes abgeschieden werden, ausgestattet sein. Das Mikroalgen-Abführgerät umfasst einen trichterförmigen Behälter (Hopper), der die abgeschiedenen Mikroalgen beinhaltet, ein Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr, das mit einem unteren Ende des trichterförmigen Behälters verbunden ist, und einen Sensor zum Messen der Höhe der abgeschiedenen Mikroalgen in dem trichterförmigen Behälter. Das Mikroalgen-Abführgerät umfasst ferner eine obere Trennplatte und eine untere Trennplatte. Die obere Trennplatte ist zwischen dem Kulturgefäß und dem trichterförmigen Behälter vorgesehen und konfiguriert, dass sie so gefaltet werden kann, dass das Kulturgefäß und der trichterförmige Behälter in Verbindung miteinander stehen, wenn die Höhe der abgeschiedenen Mikroalgen geringer als ein vorbestimmter Wert ist, und dass sie so entfaltet werden kann, dass das Kulturgefäß und der trichterförmige Behälter nicht in Verbindung miteinander stehen, wenn die Höhe der abgeschiedenen Mikroalgen gleich oder größer als der vorbestimmte Wert ist. Die untere Trennplatte ist zwischen dem trichterförmigen Behälter und dem Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr vorgesehen und konfiguriert, dass sie so entfaltet werden kann, dass der trichterförmige Behälter und das Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr nicht in Verbindung miteinander stehen, wenn die Höhe der abgeschiedenen Mikroalgen kleiner als der vorbestimmte Wert ist, und so gefaltet werden kann, dass der trichterförmige Behälter und das Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr in Verbindung miteinander stehen, wenn die Höhe der abgeschiedenen Mikroalgen gleich oder größer als der vorbestimmte Wert ist. Die obere und die untere Trennplatte können geeigneterweise von einem Trennplattensteuergerät durch ein Signal von dem Sensor gesteuert werden.
In einigen Ausführungsformen kann die Flotations-Trennvorrichtung einen Flotationstank zur Aufnahme und zum Mischen des Prozesswassers aus dem Mikrobläschen-Generator und der Mikroalgen aus dem Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr umfassen, sowie eine Flotationsplatte, die in dem Flotationstank zum Einführen der zu flotierenden Mikroalgen angeordnet ist, einen Skimmer bzw. eine Abschöpfeinrichtung, die am oberen Teil des Flotationstanks zum Entfernern der treibenden Mikroalgen angeordnet ist, einen Mikroalgen-Speichertank zum Speichern der Mikroalgen, die von dem Skimmer entfernt wurden, und einen Abfallkulturmedium-Speichertank zum Speichern von Abfallkulturmedium nach dem Entfernen der Mikroalgen. Vorzugsweise kann der Flotationsseparator ferner eine Mikrobläschen-Flotationsplatte zum Einführen von Kohlendioxid-Mikrobläschen, die in dem Prozesswasser für die Flotation enthalten sind, umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann die Flotations-Trennvorrichtung weiter eine Mikrobläschen-Flotationsplatte zum Einführen von Kohlendioxid-Mikrobläschen, die in dem Flotationswasser enthalten sind, umfassen.
In bestimmten Ausführungsformen kann der Mikrobläschen-Generator eine Zuführpumpe zum Zuführen von Wasser in ein Zuführrohr, einen Speichertank zum Speichern von Kohlendioxidgas, eine Zuführdüse zum Zuführen von Kohlendioxidgas, das in dem Speichertank zum Zuführrohr gespeichert ist, und eine Mischkammer zur Aufnahme und zum Mischen von Wasser und Kohlendioxidgas, die durch das Zuführrohr zugeführt werden, um Prozesswasser mit Kohlendioxid-Mikrobläschen herzustellen, umfassen. Die Mischkammer kann vorzugsweise einen Einlass zur Aufnahme des Wassers und des Kohlendioxidgases, die durch das Zuführrohr zugeführt werden, einen Auslass zum Abführen des Kohlendioxid-Mikrobläschen enthaltenden Prozesswassers und einen Mischschlauch umfassen, der an einem Ende mit dem Einlass der Mischkammer und am anderen Ende mit dem Auslass der Mischkammer verbunden und so konfiguriert ist, dass er das Kohlendioxidgas, das mit dem Wasser in die Mikrobläschen zur Erzeugung von KohlenKohlendioxid-Mikrobläschen enthaltendem Prozesswasser eingeführt wurde, mikronisiert. Die Mischkammer kann weiterhin eine Stützvorrichtung umfassen, die darin angeordnet ist und um die der Mischschlauch spiralförmig gewunden ist.
In einigen Ausführungsformen kann die Photobioreaktoreinheit eine Vielzahl von Photobioreaktoren in Reihe enthalten, so dass das Kulturmedium, das durch den Auslass des einen Photobioreaktors abgeleitet wird, dem Einlass eines anderen Photobioreaktors zugeführt wird.
Die obigen und weiteren Merkmale der Erfindung werden nachstehend erörtert.
Figurenliste
Die obigen und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen in den beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben, die im Nachfolgenden nur der Erläuterung dienen und daher den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken, und wobei:

1 ein Diagramm ist, das ein herkömmliches System zum Kultivieren von Mikroalgen unter Benutzung eines Airlift-Photobioreaktors darstellt;
2 ein Diagramm ist, das ein herkömmliches System zum Kultivieren von Mikroalgen unter Benutzung eines Photobioreaktors darstellt, in dem eine Trennmembran bereitgestellt ist;
3 ein Diagramm ist, das ein System zum Kultivieren von Mikroalgen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 ein Diagramm ist, das einen Photobioreaktor des Systems der 3 darstellt;
5 ein Diagramm ist, das eine Flotations-Trennvorrichtung des Systems der 3 darstellt; und
6 ein Diagramm ist, das einen Mikrobläschen-Generator des Systems der 3 darstellt.

Es sollte verstanden werden, dass die angehängten Zeichnungen zur Erläuterung der grundlegenden Prinzipien der Erfindung nicht notwendigerweise maßstabsgerecht sind und die einzelnen bevorzugten Merkmale in etwas vereinfachter Form wiedergeben. Die spezifischen Ausgestaltungsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offengelegt werden, beinhalten beispielsweise bestimmte Abmessungen, Ausrichtungen, Standorte und Formen und werden teilweise durch den besonderen vorgesehenen Verwendungszweck und die Benutzungsumgebung bestimmt.
In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Elemente der vorliegenden Erfindung in sämtlichen Figuren der Zeichnung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird nun detailliert Bezug genommen auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und unten stehend beschrieben werden. Während die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, wird davon ausgegangen, dass die vorliegende Erfindung nicht beabsichtigt, die Erfindung auf diese beispielhaften Ausführungsformen zu begrenzen. Im Gegenteil beabsichtigt die Erfindung, nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen, sondern auch verschiedene Alternativen, Änderungen, Äquivalente und andere Ausführungsformen zu umfassen, die in den Geist und den Umfang der Erfindung eingeschlossen werden können, wie er durch die angehängten Ansprüche definiert wird.
Wie oben diskutiert, kann die Photobioreaktoreinheit ein einziger Photobioreaktor oder mehrere Photobioreaktoren sein, die in Reihe angebracht sind. Hiernach wird das System mit mehreren in Reihe angebrachten Photobioreaktoren, wie in 3 gezeigt, zu Illustrationszwecken beschrieben.
Mit Bezug auf 3 umfasst ein System zum Kultivieren und Wiedergewinnen von Mikroalgen gemäß der vorliegenden Erfindung eine Photobioreaktoreinheit 10 (10a-10d) zum Kultivieren von Mikroalgen durch eine photochemische Reaktion, um eine Mikroalgenabscheidung zu erzeugen, eine Flotations-Trennvorrichtung 20 zum Trennen der abgetrennten Mikroalgen, eine Zentrifugal-Trennvorrichtung 30 zum Konzentrieren der abgetrennten Mikroalgen und einen Mikrobläschen-Generator 40 zum Erzeugen von Prozesswasser, das Kohlendioxid-Mikrobläschen enthält, und Einleiten des erzeugten Prozesswassers in die Photobioreaktoreinheit und die Flotations-Trennvorrichtung. Das System kann ferner einen Kulturmedium-Regenerator (50) zur Aufnahme von Abfallkulturmedium aus wenigstens einer der Photobioreaktoreinheit, der Flotations-Trennvorrichtung und der Zentrifugal-Trennvorrichtung und zum Wiedergewinnen des aufgenommenen Abfallkulturmediums durch Zufuhr von Nährstoffen umfassen. In diesem Fall kann das regenerierte Kulturmedium der Photobioreaktoreinheit zugeführt werden, z.B. durch eine Zirkulationspumpe 60.
Mit Bezug auf 4 kann jeder der Photobioreaktoren 10a, 10b, 10c, 10d ein Kulturgefäß 11, das das Kulturmedium und Mikroalgen enthält, und ein Überlaufrohr 13a, das longitudinal in das Kulturgefäß 11 eingebracht ist, umfassen, so dass ein Ende des Überlaufrohrs innerhalb des Kulturgefäßes 11 und das andere Ende des Überlaufrohrs außerhalb des Kulturgefäßes 11 angebracht ist. Das Kulturgefäß 11 umfasst einen Einlass 12 zur Aufnahme des regenerierten Kulturmediums aus dem Kulturmedium-Regenerator, wobei das Wasser Kohlendioxid-Mikrobläschen aus dem Mikrobläschen-Generator, oder beides, enthält. Das Kulturgefäß umfasst auch einen Auslass 13 zum Abführen des Kulturmediums, Mikroalgen, oder beides, in dem Kulturgefäß beinhaltet.
Bevorzugt ist jeder der Photobioreaktoren 10a, 10b, 10c, 10d so konfiguriert, dass er eine zyklonische Form hat. Die Photobioreaktoren 10a, 10b, 10c, 10d sind in Reihe zwischen der Zirkulationspumpe 60 und dem Kulturmedium-Regenerator 50 so angebracht, dass der Einlass 12 des Photobioreaktors 10a mit der Zirkulationspumpe 60 verbunden ist und der Auslass 13 des Photobioreaktors 10d mit dem Kulturmedium-Regenerator 50 verbunden ist. Dementsprechend kann Kulturmedium (mit einigen Mikroalgen), das aus dem Photobioreaktor 10a abgeführt wurde, in den Photobioreaktor 10b fließen, Kulturmedium (mit einigen Mikroalgen), das aus dem Photobioreaktor 10b abgeführt wurde, in den Photobioreaktor 10c fließen und Kulturmedium (mit einigen Mikroalgen), das aus dem Photobioreaktor 10c abgeführt wurde, in den Photobioreaktor 10d fließen. In diesem Fall kann das Kulturmedium, das dem Einlass 12 des Photobioreaktors 10 durch die Zirkulationspumpe 60 zugeführt wurde, verwirbelt werden, um innerhalb des Kulturgefäßes 11 einen Wirbel zu bilden. Daher können Mikroalgen, die ein bestimmtes Gewicht überschritten haben, gemäß dem zyklonischen Prinzip auf einem unteren Teil des Kulturgefäßes 11 abgeschieden werden, und die verbleibenden Mikroalgen können durch das Überlaufrohr 13a zum Auslass 13 abgeleitet werden.
Jeder der Photobioreaktoren ist mit einem Mikroalgen-Abführgerät 14 zum Abführen der Mikroalgen ausgestattet, die auf einem unteren Teil des Kulturgefäßes abgeschieden sind. Mit Bezug auf 4 kann das Mikroalgen-Abführgerät 14 einen trichterförmigen Behälter 14a, einen Sensor 15, eine obere Trennplatte 18, eine untere Trennplatte 19 und ein Trennplatten-Steuerungsgerät 16 umfassen. Ein Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr 17 ist mit dem unteren Ende des trichterförmigen Behälters 14a verbunden.
Mikroalgen, welche ein bestimmtes Gewicht überschritten haben, scheiden sich in dem trichterförmigen Behälter 14a auf natürliche Weise ab. Der Sensor 15 misst das Gewicht der abgeschiedenen Mikroalgen in dem trichterförmigen Behälter 14a. Die obere Trennplatte 18 ist zwischen dem Kulturgefäß 11 und dem trichterförmigen Behälter 14a angeordnet. Die obere Trennplatte 18 ist in einem gefalteten Zustand, so dass das Kulturgefäß 11 und der trichterförmige Behälter 14a miteinander in Verbindung stehen, wenn die Höhe der abgeschiedenen Mikroalgen weniger als ein vorbestimmter Wert ist. Die obere Trennplatte 18 bewirkt in einem entfalteten Zustand, dass das Kulturgefäß 11 und der trichterförmige Behälter 14a nicht in Verbindung miteinander stehen, wenn die Höhe der abgeschiedenen Mikroalgen gleich oder größer als der vorbestimmte Wert ist. Die untere Trennplatte 19 ist zwischen dem trichterförmigen Behälter 14a und dem Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr 17 angeordnet. Die untere Trennplatte 19 bewirkt in einem entfalteten Zustand, dass der trichterförmige Behälter 14a und das Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr 17 nicht miteinander kommunizieren, wenn die Höhe der abgeschiedenen Mikroalgen kleiner als der vorbestimmte Wert ist. Die untere Trennplatte 19 bewirkt in einem gefalteten Zustand, dass der trichterförmige Behälter und das Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr in Verbindung miteinander stehen, wenn die Höhe der abgeschiedenen Mikroalgen gleich oder größer als der vorbestimmte Wert ist. D.h., wenn sich die untere Trennplatte 19 in einem gefalteten Zustand befindet, dient das Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr 17 dazu, Mikroalgen, die aus dem trichterförmige Behälter 14a an den Flotationsseparator 20 abgeführt wurden, zu der Flotations-Trennvorrichtung 20 zu überführen. Das Trennplatten-Steuergerät 16 empfängt ein Signal von dem Sensor 15 und steuert die obere und untere Trennplatte 18 bzw. 19.
Mit Bezug auf 5 kann eine Flotations-Trennvorrichtung 20 einen Flotationstank 21, eine Flotationsplatte 22, einen Skimmer 35, einen Mikroalgen-Speichertank 25 und einen Speichertank 27 für Abfallkulturmedium umfassen. Der Flotationstank 20 nimmt das Prozesswasser aus dem Mikrobläschen-Generator 40 und die Mikroalgen aus dem Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr 17 auf und vermischt sie. Die Flotationsplatte 22 ist in dem Flotationstank 21 zum Einführen der zu flotierenden Mikroalgen angeordnet. Der Skimmer 35 ist an einem oberen Teil des Flotationstanks 21 zum Entfernen der flotierten Mikroalgen angeordnet. Der Mikroalgen-Speichertank 25 speichert die Mikroalgen, die von dem Skimmer 35 entfernt werden. Der Abfallkulturmedium-Speichertank 27 speichert das Abfallkulturmedium nach dem Entfernen der Mikroalgen. Ein Mikrobläschenwasser-Übertragungsrohr 49a kann den Flotationstank 21 und den Mikrobläschen-Generator 40 miteinander verbinden. Das Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr 17 kann den Flotationstank 21 und die Photobioreaktoren 10 miteinander verbinden.
Wie in 5 gezeigt, können das Mikrobläschenwasser-Übertragungsrohr 49a und das Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr 17 durch einen Einlass 24 in den Flotationstank 21 eingebracht werden, der an einem unteren Teil des Flotationstanks 21 für das gleichmäßige Vermischen von in den Flotationstank 21 eingebrachten Mikroalgen und Mikrobläschenwasser angeordnet ist. Die Flotationsplatte 22 kann an der Seite des Einlasses 24 des Flotationstanks 21 angebracht sein, um die Flotation der Mikroalgen, die an den Mikrobläschen anhaften, zu veranlassen.
Mikroalgen und Mikrobläschenwasser, die in den Flotationstank 21 eingebracht wurden, können vermischt werden, während sie in einen Spalt zwischen der Flotationsplatte 22 und dem Flotationstank 21 eingebracht werden. In diesem Fall können Mikroalgen, die den Mikrobläschen anhaften, entlang der Flotationsplatte 22 zum oberen Teil des Flotationstanks 21 aufsteigen.
Um die Flotations-Trenneffizienz der Mikroalgen zu erhöhen, kann eine Mikrobläschen-Flotationsplatte 23 nahe der Flotationsplatte 22 (z.B. am hinteren Ende der Flotationsplatte 22) angebracht sein, um die Flotation der Mikrobläschen in Mikrobläschenwasser zu bewirken, welches zusätzlich in den Flotationstank 21 eingebracht wird, ohne sich mit den Mikroalgen zu vermischen. Vorzugsweise können die Flotationsplatte 22 und die Mikrobläschen-Flotationsplatte 23 schräg angeordnet werden, um die Flotationseffizienz zu erhöhen.
Ein Auslass 29 zum Abführen des gesamten Inhalts des Flotationstanks 21 kann an einem unteren Ende des Flotationstanks 21, in dem die Flotationstrennung durchgeführt wird, angebracht sein. Der Auslass 29 kann während Reparatur- und Reinigungsarbeiten an der Flotations-Trennvorrichtung 20 geöffnet werden, um den gesamten Inhalt des Flotationstanks 2 abzuführen.
Der Skimmer 35 kann an einem oberen Ende des Flotationstanks 21 angeordnet sein, um Mikroalgen, die auf dem Flotationstank 21 flotieren, zu sammeln und zu entfernen. Der Skimmer 35 kann ein Paar von Stützrollen 36, eine Antriebskette 37 und einen Schaber 38 umfassen. Das Paar von Stützrollen 36 kann durch einen Antriebsmotor (nicht gezeigt) angetrieben werden. Die Antriebskette 37 kann das Paar von Stützrollen 36 miteinander verbinden und in Verbindung mit dem Rotationsbetrieb der Stützrollen 36 rotieren. Der Schaber 38 kann integral an der Antriebskette 37 angeformt sein, um Mikroalgen, die auf dem Flotationstank 21 flotieren, zu sammeln und die Mikroalgen in den Mikroalgen-Speichertank 25 zu überführen.
Der Mikroalgen-Speichertank 25 kann an einer geeigneten Stelle (z.B. der gegenüberliegenden Seite der Flotationsplatte) angeordnet sein, wo die vom Schaber 38 übertragenen Mikroalgen (flotationsgetrennt) an einer Seite des Flotationstanks 21 gespeichert werden. Ein Flotationsalgen-Übertragungsrohr 26 kann mit dem unteren Ende des Mikroalgen-Speichertanks 25 verbunden sein, um die gespeicherten Mikroalgen an die Zentrifugal-Trennvorrichtung 30 zu überführen.
Der Abfallkulturmedium-Speichertank 27 kann an der entgegengesetzten Seite der Flotationsplatte 22 angeordnet sein und Abfallkulturmedium speichern, von dem Mikroalgen entfernt werden. Da Mikroalgen auf natürliche Weise durch ihr Gewicht abgeschieden werden, können der Abfallkulturmedium-Speichertank 27, der am oberen Teil der gegenüberliegenden Seite der Flotationsplatte 22 und der Mikrobläschen-Flotationsplatte 23 angeordnet und am hinteren Ende des Mikroalgen-Speichertanks 25 angebracht ist, Abfallkulturmedium erhalten, da der Wasserpegel des Abfallkulturmediums am oberen Ende des Flotationstanks 21 höher als der Speichertank 27 wird. In diesem Fall können Mikroalgen, die am oberen Teil des Flotationstanks 21 flotieren und getrennt werden, durch den Speichertank 25 unterbrochen und getrennt werden, damit sie nicht in den Speichertank 27 fließen, wodurch nur Abfallkulturmedium in den Speichertank 27 fließen kann.
Die Abfallkulturmedium-Übertragungsrohr 28 kann mit dem unteren Ende des Speichertanks 27 verbunden werden, um gespeichertes Abfallkulturmedium zu dem Nährmedium-Regenerator 50 zu überführen.
Die Zentrifugal-Trennvorrichtung 30 kann mit einer typischen Zentrifugal-Trennvorrichtung konfiguriert sein. Mikroalgen, die durch den Zentrifugal-Trennvorrichtung wiedergewonnen und konzentriert werden, können entsorgt oder in Materialien für biologisch abbaubaren Kunststoff oder Biobenzin recycelt werden. Abfallkulturmedium, das von Mikroalgen getrennt und wiedergewonnen wurde, kann in den Kulturmedium-Regenerator 50 überführt werden, um regeneriert oder recycelt zu werden.
Wie in 6 gezeigt, kann der Mikrobläschen-Generator 40 eine Zuführpumpe 41, einen CO₂-Speichertank 42, eine CO₂-Zuführdüse 43 und eine Mischkammer 44 beinhalten. Die Zuführpumpe 41 versorgt ein Zuführrohr 41a, das die Zuführpumpe 41 und die Mischkammer 44 miteinander verbindet, mit Wasser. Der Speichertank 42 speichert Kohlendioxidgas. Die Zuführdüse 43 führt das Kohlendioxidgas, das in dem Speichertank gespeichert ist, dem Zuführrohr 41a zu. Die Mischkammer 44 empfängt und vermischt das Wasser und das Kohlendioxidgas, die durch das Zuführrohr 41a zugeführt werden, um das Kohlendioxid-Mikrobläschen enthaltende Prozesswasser herzustellen. Die Mischkammer 44 hat einen Einlass 46 zur Aufnahme des Wassers und des Kohlendioxidgases, welche durch das Zuführrohr und einen Auslass 47 zugeführt werden, um das Kohlendioxid-Mikrobläschen enthaltende Prozesswasser abzuführen.
Mit Bezug auf 6 kann die Mischkammer eine zylindrische Stütze 44a enthalten, die fast den gesamten Innenraum der Mischkammer 44 einnimmt. Ein Mischschlauch 48 kann spiralförmig um die Stütze 44a gewunden sein. Der Mischschlauch 48 kann mit beiden Enden mit dem Einlass 46 bzw. dem Auslass 47 verbunden sein. Der Mischschlauch 48 kann so konfiguriert sein, dass ein Schlauch mit einem verhältnismäßig kleineren Durchmesser und ein Schlauch mit einem verhältnismäßig größeren Durchmesser abwechselnd miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten, der Durchmesser des Mischschlauches 48 kann bei jedem bestimmten Abstand variieren. Da die Fließgeschwindigkeit des mit CO₂-Gas gesättigten Wassers variieren kann, während Wasser durch den Mischschlauch 48 fließt, können demgemäß Mikrobläschen in dem Wasser erzeugt werden.
Auch ein Filterelement (nicht gezeigt), das ein feines Loch von Mikrometergröße hat, kann an dem Endteil (an der Seite des Mikrobläschenwasser-Auslasses) angeordnet sein, um die im Wasser enthaltenen CO₂-Blasen in Mikrometergrößen zu zerteilen (z.B. ungefähr 30 µm).
Ferner kann ein Druckmessgerät 45 an der Mischkammer 44 angeordnet sein, um den Innendruck des Mischschlauches 48 anzuzeigen, und Mikrobläschenwasser-Übertragungsrohre 49a und 49b können angeordnet sein, um das erzeugte Mikrobläschenwasser zur Photobioreaktoreinheit 10 und zu der Flotations-Trennvorrichtung 20 zu überführen.
Der Kulturmedium-Regenerator 50 kann Abfallkulturmedium erhalten, welches in den Photobioreaktoren 10, der Flotations-Trennvorrichtung 20 und der Zentrifugal-Trennvorrichtung 30 erzeugt wurde, und Abfallkulturmedium mit Nährstoffen versorgen und mischen, die für das Wachstum der Mikroalgen notwendig sind, um das Abfallkulturmedium zu regenerieren.
Das Kulturmedium, das in dem Kulturmedium-Regenerator 50 regeneriert wurde, kann den Photobioreaktoren 10 durch die Zirkulationspumpe 60 zugeführt werden. In diesem Fall kann das Kulturmedium mit Mikrobläschenwasser, das durch die Mikrobläschenwasser-Übertragungspumpe zugeführt wird, gemischt werden und dann den Photobioreaktoren 10 zugeführt werden.
Hier nachfolgend wird ein Betrieb des Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben werden.
Eine bestimmte Menge an Kulturmedium wird in die Photobioreaktoreinheit 10 gefüllt, und dann werden Mikroalgen in das Kulturmedium eingebracht. Danach wird sichtbares Licht (Sonnenlicht, künstliches Licht, und eine Kombination davon) ausgestrahlt.
Das Kulturmedium wird in das Kulturgefäß 11 des ersten Photobioreaktors 10 durch die Zirkulationspumpe 60 eingeführt, wobei ein Wirbel erzeugt wird. Gemäß dem zyklonischen Prinzip werden Mikroalgen, die ein bestimmtes Gewicht überschritten haben, auf einem unteren Teil des Photobioreaktors 10a abgeschieden, und die verbleibenden Mikroalgen werden zusammen mit dem Kulturmedium abgeführt, das in den zweiten Photobioreaktor 10b, der mit dem ersten Photobioreaktor 10a verbunden ist, zu überführen ist.
In dem zweiten Photobioreaktor 10b werden das Kulturmedium und die Mikroalgen durch einen Wirbel vermischt, der durch die Einleitung des Kulturmediums aus dem ersten Photobioreaktor 10a entsteht. Gemäß dem zyklonischen Prinzip werden Mikroalgen, die ein bestimmtes Gewicht überschritten haben, auf einem unteren Teil des Photobioreaktors 10b abgeschieden, und die verbleibenden Mikroalgen werden zusammen mit dem Kulturmedium abgeführt, das in den dritten Photobioreaktor 10c, der mit dem zweiten Photobioreaktor 10b verbunden ist, zu überführen ist.
In dem dritten Photobioreaktor 10c werden das Kulturmedium und die Mikroalgen durch einen Wirbel vermischt, der durch die Einleitung des Kulturmediums aus dem zweiten Photobioreaktor 10b entsteht. Gemäß dem zyklonischen Prinzip werden Mikroalgen, die ein bestimmtes Gewicht überschritten haben, auf einem unteren Teil des Photobioreaktors 10c abgeschieden, und die verbleibenden Mikroalgen werden zusammen mit dem Kulturmedium abgeführt, das in den vierten Photobioreaktor 10d, der mit dem dritten Photobioreaktor 10c verbunden ist, zu überführen ist.
In dem vierten Photobioreaktor 10d werden das Kulturmedium und die Mikroalgen durch einen Wirbel vermischt, der durch die Einleitung des Kulturmediums aus dem dritten Photobioreaktor 10c entsteht. Gemäß dem zyklonischen Prinzip werden Mikroalgen, die ein bestimmtes Gewicht überschritten haben, auf einem niedrigeren Teil des Photobioreaktors 10d abgeschieden, und verbleibende Mikroalgen werden zusammen mit dem Kulturmedium abgeführt, das in den Kulturmedium-Regenerator 50, der mit dem vierten Photobioreaktor 10d verbunden ist, zu überführen ist.
In diesem Fall werden Mikroalgen, die in jedem Photobioreaktor 10 abgeschieden werden, in dem trichterförmigen Behälter 14a des Mikroalgen-Abführgerätes 14 abgelagert. Wenn abgeschiedene Mikroalgen in einer vorbestimmten Höhe in dem trichterförmige Behälter 14a abgelagert sind, werden die oberen und unteren Trennplatten 18 und 19 von einem Signal des Sensors 15 gesteuert, um die Ableitung der Mikroalgen, die in dem trichterförmige Behälter 14a abgelagert wurden, in das Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr 17 zu gestatten. D.h., die obere Trennplatte wird entfaltet und die untere Trennplatte 19 wird gefaltet, was es den in dem trichterförmigen Behälter 14a abgelagerten Mikroalgen gestattet, zu dem Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr 17 hinunter zu wandern. Die Mikroalgen, die in das Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr 17 abgeführt wurden, werden dem Flotationsseparator 20 zugeführt.
Wenn die Ableitung sämtlicher Mikroalgen in dem trichterförmigen Behälter 14a abgeschlossen ist, kann die Mikroalgen-Abführvorrichtung 14 wieder betrieben werden, um es der unteren Trennplatte 19 durch das Trennplatten-Steuergerät 16 zu ermöglichen, sich zu entfalten, und der oberen Trennplatte 18, sich zu falten, wodurch die Mikroalgen in dem trichterförmigen Behälter 14a abgeschieden werden können.
Wie oben beschrieben, werden Mikroalgen, die in den Bioreaktoren 10 abgeschieden und dann aus ihnen abgeführt werden, anschließend in die Flotations-Trennvorrichtung 20 überführt. Die Flotations-Trennvorrichtung 20 trennt die eingeführten Mikroalgen durch Flotation unter Benutzung der Flotationsplatte 22 und der CO₂-Blasen des Mikrobläschenwassers, das aus dem Mikrobläschen-Generator 40 zugeführt wurde.
Mikroalgen, die durch Flotation getrennt wurden, werden durch den Skimmer 35 gesammelt und entfernt und in den Mikroalgen-Speichertank 25 überführt, um darin konzentriert und gespeichert zu werden. Demnach werden konzentrierte Mikroalgen der Zentrifugal-Trennvorrichtung 30 durch das Flotationsalgen-Übertragungsrohr 26 zugeführt.
Das Abfallkulturmedium, das während des Flotations-Trennvorgangs und der Konzentrierprozesse von Mikroalgen erzeugt wird, kann in dem Speichertank 27 gespeichert und dann durch das Abfallkulturmedium-Übertragungsrohr 28 in den Kulturmedium-Regenerator 50 übergeführt werden.
Mikroalgen, die durch das Flotationsalgen-Übertragungsrohr 26 überführt werden, können durch die Zentrifugal-Trennvorrichtung 30 zur weiteren Konzentration getrennt und wiedergewonnen werden, und wiedergewonnene Mikroalgen können entsorgt oder zu Materialien für biologisch abbaubaren Kunststoff oder Biobenzin recycelt werden. Das Abfallkulturmedium, das während des Wiedergewinnungsprozess der Mikroalgen unter Benutzung einer Zentrifugalkraft erzeugt wurde, kann in den Kulturmedium-Regenerator 50 überführt werden.
Das Kulturmedium, das durch die Zufuhr von Nährstoffen in dem Kulturmedium-Regenerator 50 regeneriert wurde, kann durch die Zirkulationspumpe in den ersten Photobioreaktor 10a überführt werden.
Auf der anderen Seite können in den Verfahren zum Erzeugen und Zuführen von Mikrobläschenwasser mit Hilfe des Bernoulli-Prinzips, d.h. „in einem gleichmäßigen Strom ist die Summe aller Formen der mechanischen Energie in einer Flüssigkeit entlang einer Stromlinie an allen Punkten an dieser Stromlinie dieselbe“, CO₂-Mikrobläschen erzeugt werden.
Insbesondere kann dem Mischschlauch 48 der Mischkammer 44 Wasser zum Erzeugen von Mikrobläschen über das Wasserversorgungsrohr 41a durch die Zuführpumpe 41 zugeführt werden, und während dieses Vorgangs kann das CO₂-Gas, das dem Wasserzuführrohr 41a zugeführt wurde, zusammen mit Wasser auf natürliche Weise in das Mischschlauch 48 eingeführt werden.
In diesem Fall kann der Innendruck des Mischschlauches 48 durch den Wasserdruck der Zuführpumpe 41 geändert werden, was mit Hilfe des Druckmessgerätes 45 verifiziert werden kann.
CO₂-Gas kann in Wasser durch Druck aufgrund der Einleitung in den Mischschlauch 48 gesättigt werden, und CO₂-Mikrobläschen können im Wasser erzeugt werden, da die Fließgeschwindigkeit geändert wird, wenn Wasser durch den Mischschlauch 48 fließt. Während Wasser durch das Filterelement (nicht gezeigt), das am Endteil des Mischschlauches 48 angeordnet ist, fließt, kann Mikrobläschen in Mikrometergrößen enthaltendes Mikrobläschenwasser erzeugt werden.
Erzeugtes Mikrobläschenwasser kann in die Flotations-Trennvorrichtung 20 zum Flotationstrennen und Konzentrieren der Mikroalgen, die teilweise abgeschieden und abgeleitet werden, eingespeist werden, und andere Mikroalgen können dem Kulturmedium, welches in den Photobioreaktor (erster Photobioreaktor) 10 zum Kultivieren von Mikroalgen einzuführen ist, zugeführt und mit ihm gemischt werden.
Die Systeme gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben beispielsweise die folgenden vorteilhaften Wirkungen. Sie erfordern keinen separaten Kompressor und keinen Diffusor zum Zuführen von CO₂-Gas in die Photobioreaktoreinheit 10, wodurch die Betriebskosten gesenkt werden. Sie bedürfen keiner großen Fläche für den Betrieb. Sie erfordern nicht viel Platz für den Betrieb. Sie können CO₂-Gas effizienter, einfacher und kosteneffektiver behandeln.
Die Erfindung wurde mit Bezug auf ihre beispielhaften Ausführungsformen detailliert beschrieben. Jedoch wird von Fachleuten gewürdigt werden, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen durchgeführt werden können, ohne von den Prinzipien und dem Geist der Erfindung abzuweichen, deren Umfang in den angehängten Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist.

Claims

System zum Kultivieren und Wiedergewinnen von Mikroalgen, welches umfasst: eine Photobioreaktoreinheit (10) zum Kultivieren von Mikroalgen durch eine photochemische Reaktion, um eine Mikroalgenabscheidung zu erzeugen; eine Flotations-Trennvorrichtung (20) zum Trennen der abgeschiedenen Mikroalgen; eine Zentrifugal-Trennvorrichtung (30) zum Konzentrieren der abgetrennten Mikroalgen; und einen Mikrobläschen-Generator (40) zum Erzeugen von Kohlendioxid-Mikrobläschen enthaltendem Prozesswasser und zum Einführen des erzeugten Prozesswassers in die Photobioreaktoreinheit (10) und die Flotations-Trennvorrichtung (20).
System nach Anspruch 1, das einen Kulturmedium-Regenerator (50) zur Aufnahme von Abfallkulturmedium aus wenigstens einer der Photobioreaktoreinheit (10), der Flotations-Trennvorrichtung (20) und der Zentrifugal-Trennvorrichtung (30) und zum Regenerieren des aufgenommenen Abfallkulturmediums durch Zugabe von Nährstoffen umfasst.
System nach Anspruch 2, wobei das regenerierte Kulturmedium in die Photobioreaktoreinheit (10) durch eine Zirkulationspumpe (60) eingeführt wird.
System nach Anspruch 2, wobei die Photobioreaktoreinheit (10) einen Photobioreaktor beinhaltet, welcher umfasst: ein Kulturgefäß (11) zur Aufnahme von Kulturmedium und Mikroalgen; und ein Überlaufrohr (13a), das longitudinal so in das Kulturgefäß (11) eingebracht ist, dass ein Ende des Überlaufrohrs (13a) innerhalb des Kulturgefäßes (11) und das andere Ende des Überlaufrohres (13a) außerhalb des Kulturgefäßes (11) angeordnet ist, wobei das Kulturgefäß (11) umfasst: einen Einlass (12) zur Aufnahme des regenerierten Kulturmediums aus dem Kulturmedium-Regenerator (50), wobei das Wasser Kohlendioxid-Mikrobläschen aus dem Mikrobläschen-Generator (40) enthält, oder beides; und einen Auslass (13) zum Abführen von in dem Kulturgefäß (11) enthaltenen Kulturmedium, Mikroalgen, oder beiden.
System nach Anspruch 4, wobei der Photobioreaktor mit einem Mikroalgen-Abführgerät (14) zum Abführen von Mikroalgen, die auf einem unteren Teil des Kulturgefäßes (11) abgeschieden wurden, ausgestattet ist, wobei das Mikroalgen-Abführgerät (14) umfasst: einen trichterförmigen Behälter (14a) zur Aufnahme von abgeschiedenen Mikroalgen; ein Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr (17), das mit einem unteren Ende des trichterförmigen Behälters (14a) verbunden ist; einen Sensor (15) zum Messen der Höhe der abgeschiedenen Mikroalgen in dem trichterförmigen Behälter (14a); eine obere Trennplatte (18), die zwischen dem Kulturgefäß (11) und dem trichterförmigen Behälter (14a) angeordnet und konfiguriert ist, dass sie gefaltet werden kann, so dass das Kulturgefäß (11) und der trichterförmige Behälter (14a) in Verbindung miteinander stehen, wenn die Höhe der abgeschiedenen Mikroalgen kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, und entfaltet werden kann, so dass das Kulturgefäß (11) und der trichterförmige Behälter (14a) nicht in Verbindung miteinander stehen, wenn die Höhe der abgeschiedenen Mikroalgen gleich oder größer als der vorbestimmte Wert ist; eine untere Trennplatte (19), die zwischen dem trichterförmigen Behälter (14a) und dem Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr (17) angeordnet und konfiguriert ist, dass sie entfaltet wird, so dass der trichterförmige Behälter (14a) und das Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr (17) nicht in Verbindung miteinander stehen, wenn die Höhe der abgeschiedenen Mikroalgen kleiner als der vorbestimmte Wert ist, und gefaltet wird, so dass der trichterförmige Behälter (14a) und das Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr (17) in Verbindung miteinander stehen, wenn die Höhe der abgeschiedenen Mikroalgen gleich oder größer als der vorbestimmte Wert ist; und ein Trennplatten-Steuergerät (16) zum Empfangen eines Signals von dem Sensor (15) und Steuern der oberen und unteren Trennplatten (18) und (19).
System nach Anspruch 5, wobei die Flotations-Trennvorrichtung (20) umfasst: einen Flotationstank (21), zur Aufnahme und zum Vermischen des Prozesswassers aus dem Mikrobläschen-Generator (40) und der Mikroalgen aus dem Abscheidungsalgen-Übertragungsrohr (17); eine Flotationsplatte (22), die in dem Flotationstank (21) zum Induzieren der zu flotierenden Mikroalgen angeordnet ist; einen Skimmer (35), der an dem oberen Teil des Flotationstanks (21) zum Entfernen der flotierten Mikroalgen angeordnet ist; einen Mikroalgen-Speichertank (25) zum Speichern der Mikroalgen, die durch den Skimmer (35) entfernt wurden; und einen Abfallkulturmedium-Speichertank (27) zum Speichern von Abfallkulturmedium nach dem Entfernen der Mikroalgen.
System nach Anspruch 6, wobei die Flotations-Trennvorrichtung (20) ferner eine Mikrobläschen-Flotationsplatte (23) zum Induzieren von Kohlendioxid-Mikrobläschen umfasst, die in dem zu flotierenden Prozesswasser enthalten sind.
System nach Anspruch 1, wobei die Flotations-Trennvorrichtung (20) ferner eine Mikrobläschen-Flotationsplatte (23) zum Induzieren von Kohlendioxid-Mikrobläschen umfasst, die in dem zu flotierenden Prozesswasser enthalten sind.
System nach Anspruch 1, wobei der Mikrobläschen-Generator (40) umfasst: eine Zuführpumpe (41) zum Zuführen von Wasser in ein Zuführrohr (41a); einen Speichertank (42) um Speichern von Kohlendioxidgas; eine Zuführdüse (43) zum Einführen von in dem Speichertank (42) gespeicherten Kohlendioxidgas in das Zuführrohr (41a); und eine Mischkammer (44) zum Aufnehmen und Mischen des Wassers und des Kohlendioxidgases, das durch das Zuführrohr (41a) zugeführt wurde, um das Kohlendioxid-Mikrobläschen enthaltende Prozesswasser zu erzeugen.
System nach Anspruch 9, wobei die Mischkammer (44) umfasst: einen Einlass (46) zur Aufnahme des Wassers und des Kohlendioxidgases, die durch das Zuführrohr (41a) zugeführt wurden; einen Auslass (47) zum Abführen des Kohlendioxid-Mikrobläschen enthaltenden Prozesswassers; und einen Mischschlauch (48), der mit einem Ende mit dem Einlass (46) der Mischkammer (44) verbunden und mit dem anderen Ende mit dem Auslass (47) der Mischkammer (44) verbunden und so konfiguriert ist, dass er das Kohlendioxidgas, das mit dem Wasser eingebracht wurde, zu Mikrobläschen mikronisiert, um das Kohlendioxid-Mikrobläschen enthaltende Prozesswasser zu erzeugen.
System nach Anspruch 10, wobei die Mischkammer (44) ferner eine Stütze (44a) umfasst, die darin angeordnet ist und um die der Mischschlauch (48) spiralförmig gewickelt ist.
System nach Anspruch 4, wobei die Photobioreaktoreinheit (10) eine Vielzahl der Photobioreaktoren in Reihe enthält, so dass das Kulturmedium, das aus einem Auslass eines Photobioreaktors abgeführt wurde, in einen Einlass eines anderen Photobioreaktors eingeführt wird.