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Die Erfindung betrifft eine Luftreinigungs-Vorrichtung.
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Technologischer Hintergrund
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Luftreinigungsvorrichtungen existieren bereits in verschiedenen Ausführungsformen und bieten Lösungsansätze für die Verbesserung des Raumklimas und der Raumhygiene, unter Anderem durch
- a) die Umwandlung von Kohlenstoffdioxid (CO2) zu Sauerstoff (O2);
- b) die Partikel-, bzw. Staubreduktion; oder
- c) die Keimreduktion.
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Die Einsatzgebiete derartiger Vorrichtungen sind vornehmlich geschlossene Räume, wie Warte- oder Büroräume, allerdings auch sensible Bereiche, wie Arztpraxen, Krankenhäuser und Labore. Hinsichtlich erhöhter Hygienestandards in stark ausgelasteten Arbeitsräumen besteht ein stetiger Bedarf an effizienteren Raumluftreinigungsvorrichtungen.
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Es ist bekannt, dass phototrophe Mikroorganismen (z.B. Mikroalgen) zur CO2-Reduktion in Luftreinigungsvorrichtungen verwendet werden. Zu diesem Zweck werden die Mikroorganismen in Photobioreaktoren (z.T. lichtdurchlässige Gefäße mit aktiver Luftzufuhr und Reinluftauslass) in immobilisierter Form (z.B. als Algenrasen), in suspendierter oder verkapselter Form eingebracht und die Photosyntheseaktivität durch zusätzliche interne oder externe Lichtquellen stimuliert.
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Die Druckschrift
DE19752542A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung der Konzentration von Inhaltsstoffen in einem Gas und in einer Flüssigkeit. Hierbei wird die Flüssigkeit zumindest teilweise von einer Wäschereinheit in eine Mikroalgen enthaltende Konversionsvorrichtung geleitet in welcher die Inhaltsstoffe zumindest teilweise von den Mikroalgen aufgrund von photosynthetischer Aktivierung aufgenommen werden.
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Die Druckschrift
KR102010010921A beschreibt die CO
2-Reduktion mittels Mikroalgen basierend auf Photosynthese. Darüber hinaus erfolgt eine Steuerung mit Hilfe eines Kohlenstoffdioxidsensors, eines Sauerstoffsensors und eines optischen Sensors.
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Aus Druckschrift
KR101539257B1 ist eine Vorrichtung zum Steuem der Raumluftqualität unter Verwendung einer Algenkultivierung in einem Fahrgastraum bekannt.
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Der in Druckschrift
JPH11207122A vorgestellte Luftreiniger weist ein Gefäß auf, dessen äußere Wand aus einer gasdurchlässigen, bzw. CO
2-durchlässigen Polystyrolmembran besteht und in direktem Kontakt mit der verunreinigten Luft steht. Zudem werden phototrophe, in Wasser dispergierte Bakterien mit Leuchtstofflampen bestrahlt.
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In Druckschrift
DE102005010865A1 wird ein Verfahren zur biologischen Aufbereitung von Gasen mit einem Kohlenwasserstoffgehalt von 40 Vol-% bis 95 Vol.-% und einem Kohlenstoffdioxidgehalt von 2 Vol.-% bis 60 Vol.-% beschrieben. Für die Reduktion von CO
2 erwiesen sich Mikroalgen, insbesondere Chlorophyceae als gut geeignet.
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Die in Druckschrift
WO2002092755A1 beschriebene Vorrichtung umfasst einen lichtdurchlässigen Behälter mit einem phototrophen Mikroorganismus in einem geeigneten Kulturmedium, wobei der Behälter mit einem Abgasloch für den Ausstoß von O
2 versehen ist.
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Neben den oben genannten CO2-reduzierenden Vorrichtungen wurden Luftreiniger entwickelt, welche die antiseptischen Eigenschaften von Übergangsmetallen, wie Silber, nutzen, um Keime aus der Raumluft zu reduzieren.
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Druckschrift
CN203907961U bezieht sich auf einen Luftreiniger mit Nano-Silber-Filterkern.
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Die Druckschrift
CN203518029U beschreibt eine Klimaanlage mit antiseptischen Bestandteilen aus Silber.
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Aus Druckschrift
KR102007106847A geht eine Luftreinigungsvorrichtung hervor, bei der eine Silberlösung durch Kontakt mit der Raumluft als Waschwasser fungiert.
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Das in Druckschrift
WO2002044625A1 vorgestellte Verfahren sieht die Zerstäubung von silberionisiertem Wasser in die Raumluft vor.
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Druckschrift
CN203954937U beschreibt einen Gebläse-betriebenen Zerstäuber für die Freisetzung wässriger Nanosilberlösung in die Raumluft.
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Die aufgeführten Druckschriften adressieren entweder die Reduktion des CO2-Gehalts durch suspendierte phototrophe Mikroorganismen oder befassen sich mit der Keimreduktion durch Verwendung antiseptischer Materialien. Eine etwaige Kombination beider Aspekte erfolgt lediglich durch einen zwangsläufigen Waschprozess durch das wässrige Kulturmedium der Mikroorganismen, wodurch Keime (und auch Partikel) gebunden, jedoch nicht eliminiert werden. In Lösung akkumulierte Keime können jedoch ggf. ein Gesundheitsrisiko darstellen.
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Es ist bekannt, dass gelöste Silberionen Mikroorganismen, insbesondere Mikroalgen, signifikant schädigen und dass dies zu sinkenden Photosynthese- und Wachstumsraten führen kann. Für eine etwaige Kombination keimreduzierender Materialen mit CO2reduzierenden Mikroorganismen stellt dies eine (bio-) technische Herausforderung dar, welche durch die oben genannten Druckschriften nicht gelöst wurde.
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Es besteht daher ein anhaltender Bedarf nach einer Luftreinigungsvorrichtung, welche die zu anfangs genannten Aspekte (CO2-, Partikel- und Keimreduktion) in technisch abgestimmter Weise umsetzt. Ein solcher Multifunktionsluftreiniger müsste demnach dadurch gekennzeichnet sein, dass die Filtration und Sterilisation der Raumluft sowie die Umwandlung des CO2 aus der Raumluft schrittweise, durch Leiten des Luftstroms über verbundene Teilkomponenten erfolgt, jedoch mittels gemeinsamer Sensor- und Steuerungseinheiten vollvariabel betrieben werden kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein oder mehrere der Limitierungen des Standes der Technik lassen sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Luftreinigungs-Vorrichtung beheben oder zumindest mindern. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 umfasst dazu:
- a) eine Entkeimungseinheit, die zur Keimreduktion durch den Einsatz eines antiseptischen Materials oder Strahlung ausgelegt ist;
- b) einen nachgeschalteten Photobioreaktor, der zur metabolischen Umsetzung von CO2 zu O2 durch phototrophe Mikroorganismen ausgelegt ist und welcher mindestens eine Lichtquelle umfasst; und
- c) ein Mittel zur Ansaugung der Raumluft und Erzeugung eines Luftstroms, welches der Entkeimungseinheit vorgeschaltet ist und den Luftstrom über die Entkeimungseinheit in den Photobioreaktor einspeist.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht die Möglichkeit eine kombinierte Partikel-, Keim- und CO2-Reduktion technisch umzusetzen, ohne dass die Photosyntheseleistung der Mikroorganismen und damit die Reinigungsleistung durch die Keimreduktionseinheit negativ beeinträchtigt wird. Mit der in der Erfindung beschriebenen Vorrichtung wird also eine umfassendere Reinigung der Raumluft, bezüglich der CO2- und Keimreduktion ermöglicht.
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Die in Reihe geschalteten Entkeimungs- und Photobioreaktoren der Vorrichtung gewährleisten zudem längere Betriebszeiten bei geringerem Wartungsaufwand und größeren Intervallen für die Reinigungszyklen. Die Verwendung keimarmer, vorgereinigter Raumluft kann zudem eine gesteigerte oxygene Photosyntheseleistung der Mikroalgen im Photobioreaktor bewirken und steigert somit den Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung im Vergleich zum Stand der Technik.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Luftreinigung beinhaltet also mindestens drei Komponenten: die Entkeimungseinheit, den Photobioreaktor und das Mittel zur Ansaugung der Raumluft und Erzeugung eines Luftstroms. Letzterer wird über die Entkeimungseinheit in den Photobioreaktor geleitet. Der erste Reinigungsschritt erfolgt in der Entkeimungseinheit, wobei die im Luftstrom befindlichen Keime durch Aerosolbildung herausgewaschen werden und durch Tropfenbildung auf der Oberfläche eines antiseptischen Materials abgetötet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das antiseptische Material der Entkeimungseinheit ein Übergangsmetall. Vorzugsweise ist das antiseptische Material ein silberhaltiges Textil. Alternativ oder in Kombination kann die Keimreduzierung durch Bestrahlung, vorzugsweise durch UV-Strahlung, des kontaminierten Aerosols erfolgen. Die Entkeimungseinheit umfasst zu diesem Zweck geeignete Zerstäubungstechnik und ggf. UV-Strahler.
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Die Lichtquelle ist regelbar. Die Vorrichtung kann also zusätzliche regelbare Lichtquellen enthalten, die der gezielten Stimulation der phototrophen Mikroorganismen im Photobioreaktor dienen. Bevorzugte Lichtquellen sind LEDs, welche sowohl durch die Kombination unterschiedlicher Emissionsbereiche von 350 bis 700 nm, als auch durch die stufenlose Variation der Lichtintensität von 0 bis 100% eine photokatalytische Wirkung erzielen.
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Die Vorrichtung umfasst ferner eine Sensoreinheit, die wenigstens einen der Luftparameter, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Raumtemperatur, Luftfeuchtigkeit, CO2- und O2-Gehalt, erfasst; sowie eine eingangsseitig mit der Sensoreinheit und ausgangsseitig mit der regelbaren Lichtquelle verbundene Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist die Lichtintensität und den emittierten Spektralbereich der Lichteinheiten des Photobioreaktors zu steuern.
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Die Regelung der Lichteinheiten erfolgt also über eine Steuereinheit, die in Abhängigkeit sensorisch erfasster Luftparameter (Raumtemperatur, Luftfeuchtigkeit, CO2- und O2-Gehalt) sowohl die Lichtintensität, als auch den emittierten Spektralbereich der Lichteinheiten anpasst. Wird beispielsweise ein erhöhter CO2-Gehalt der Raumluft sensorisch erfasst, steigert die Steuerungseinheit die Lichtintensität und/oder kombiniert mehrere LEDs unterschiedlicher Emissionsbereiche, um die oxygene Photosyntheseaktivität der Mikroorganismen anzuregen. Die Steuereinheit ermöglicht es also, bedarfsgerechte Beleuchtung zu erzielen und weist dazu entsprechende Hard- und Softwaremodule auf. Das Gerät kann eine Eingabekonsole umfassen, über die die Steuereinheit programmierbar ist. Alternativ oder ergänzend kann eine EDV-Schnittstelle vorgesehen sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mittel der zur Ansaugung der Raumluft und Erzeugung des Luftstroms ein regelbares Gebläse oder eine regelbare Pumpe. Zudem umfasst die Vorrichtung eine ausgangsseitig mit dem regelbaren Gebläse und/oder der regelbaren Pumpe verbundene Steuereinheit, welche dazu ausgelegt ist die Gebläse- oder Pumpleistung zu steuern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit für die Gebläse- oder Pumpenleistung und/oder Lichtintensität und den emittierten Spektralbereich zeitgesteuert. Demnach kann die Steuereinheit die Gebläse- oder Pumpleistung sowie die Lichtintensität und den emittierten Spektralbereich der Lichteinheiten zentral regeln, um beispielsweise zu bedarfsarmen Tageszeiten einen reduzierten Luftstrom zu generieren und die Lichtintensität zu dimmen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist dem Photobioreaktor einspeiseseitig ein Partikelfilter vorgeschaltet. Letzterer kann als zusätzliche Reinigungsvorstufe neben der primären Funktion zur (Staub-)Partikelreduktion zudem ein Zusetzen der Entkeimungseinheit und des Photobioreaktors verhindern, um somit die Lebensdauer der Vorrichtung zu verlängern. Ferner kann der Partikelfilter an einer zugänglichen Stelle der Vorrichtung installiert sein, um diesen für Wartungsarbeiten leicht entnehmen zu können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die phototrophen Mikroorganismen verkapselte Mikroalgen. Diese können für die Reduktion von CO2 in den Photobioreaktor eingebracht und dort in wässrigem Medium durch Verwirbelung suspendiert werden. Als alternative Mikroorganismen können phototrophe Bakterien, z.B. Cyanobakterien verwendet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Photobioreaktor als Blasensäulenreaktor konzipiert sein, in dem der Luftstrom am Reaktorboden in die Reaktorflüssigkeit (wässriges Medium mit phototrophen Mikroorganismen) eingeleitet wird und durch Aufsteigen in der Reaktorflüssigkeit gereinigt wird. Hierzu kann durch eine oder mehrere Innensäulen des Reaktors zusätzliche Zirkulation der Reaktorflüssigkeit generiert werden. Ferner kann die Ummantelung des Photobioreaktors aus einem transparenten Material bestehen. Darüber hinaus kann der Photobioreaktor eine verschließbare Zufuhröffnung an der Reaktordecke und eine verschließbare Ablauföffnung am Reaktorboden umfassen. Die Öffnungen ermöglichen ein Befüllen des Reaktors mit Reaktorflüssigkeit und verkapselten Mikroorganismen sowie ein Ablassen der selbigen.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und dazugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 Exemplarische Darstellung einer Luftreinigungs-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2 Exemplarische Darstellung einer Luftreinigungs-Vorrichtung mit kombiniertem Photobio- und Entkeimungsreaktor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt eine exemplarische Luftreinigungs-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfassend
- a) eine Entkeimungseinheit 50, die zur Reduktion von Keimen durch den Einsatz eines antiseptischen Materials und/oder Strahlung ausgelegt ist;
- b) einen nachgeschalteten Photobioreaktor 20, welcher zur metabolischen Umsetzung von CO2 zu O2 durch phototrophe Mikroorganismen 2 ausgelegt ist und mindestens eine Lichtquelle 46, 48 umfasst; sowie
- c) ein der Entkeimungseinheit 50 vorgeschaltetes Mittel zur Ansaugung der Raumluft und Erzeugung eines Luftstroms, welcher über die Entkeimungseinheit 50 in den Photobioreaktor 20 eingespeist wird.
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Der erzeugte Luftstrom ist durch schwarze Pfeile gekennzeichnet und wird durch ein regelbares Gebläse 70 einspeiseseitig generiert. Der Luftstrom wird über einen Partikelfilter 60 in die Entkeimungseinheit 50 und anschließend in den Photobioreaktor 20 geleitet. Der Partikelfilter 60 umfasst eine auswechselbare Filtermatte, vorzugsweise aus einem feinmaschigen synthetischen Gewebe, welche für den Betrieb in einen Filterrahmen eingelegt wird und dazu ausgelegt ist Stäube und andere Schwebepartikel vorab aus der Raumluft zu entfernen.
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Die Entkeimungseinheit 50 ist als Tropfkörper ausgelegt und umfasst ein antiseptisches Textil. Als antiseptisches Textil eignet sich beispielsweise ein Gewebe bestehend aus Polyester- und silberbeschichteten Polyamidfäden (erhältlich beispielsweise unter den Handelsnamen Silvertex bei der Firma Spradling UK Ltd.). Die Keime werden durch Aerosolbildung aus der Raumluft gewaschen und durch Kondensation an dem antiseptischen Textil abgetötet. Für die Aerosolbildung verfügt die Entkeimungseinheit 50 über einen entsprechenden Zerstäuber und wird vorzugsweise mit Wasser betrieben. Alternativ oder in Kombination mit einem antiseptischen Textil kann die Entkeimung auch durch UV-Bestrahlung erfolgen.
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Der Photobioreaktor 20, welcher als Blasensäulenreaktor ausgebildet ist, weist einen zylinderförmigen oberen Abschnitt 20a sowie einen sich zum Reaktorboden konisch zulaufenden unteren Abschnitt 20b auf. Zur dosierten Einleitung der Raumluft verfügt der Photobioreaktor 20 über eine verschließbare Luftzufuhr 24 sowie einen Luftauslass 25. Über eine verschließbare Zuführöffnung 28 an der Oberseite des Reaktors 20 wird Letzterer mit einem Nährmedium 4 und phototrophen Mikroorganismen 2, vorzugsweise in Form verkapselter Mikroalgen, befüllt. Innerhalb des Photobioreaktors 20 gewährleistet ein Leitrohr 22 eine Verwirbelung der Flüssigkeit durch den eingeleiteten Luftstrom nach dem Airliftprinzip. Das Leitrohr 22 ist über Befestigungen 22a mit dem Gehäuse des Photobioreaktors 20 verbunden. Ein Ablassen des Nährmediums 4 kann durch eine verschließbare Ablauföffnung 29 am Reaktorboden erfolgen. Alternativ liegen die Luftzufuhrleitung und die Ablauföffnung in technisch kombinierter Form vor, beispielsweise in der Art eines T-Ventils.
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Das Material einer äußeren Ummantelung 26 des Photobioreaktors 20 ist vorzugsweise transparent. Für die Bestrahlung der Mikroorganismen 2 und für eine partielle Außenbeleuchtung am Photobioreaktor 20, werden mehrere innen und außen angeordnete, regelbare Lichtquellen 46, 48 (vorzugsweise LEDs) eingesetzt. Über die Regelung können eine Lichtintensität und ggf. auch Wellenlänge der Lichtquellen 46, 48 eingestellt werden.
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Die Steuerung des regelbaren Gebläses 70 und der regelbaren Lichtquellen 46, 48 erfolgt über eine zentrale Steuereinheit 40, welche auf der Basis sensorisch erfasster Raumluftparameter (Raumtemperatur, Luftfeuchtigkeit, CO2- und O2-Gehalt) die Gebläseleistung und/oder die Lichtintensität und den emittierten Spektralbereich der Lichtquellen bedarfsgerecht steuert. Die zur Erfassung der Parameter notwendigen Sensoren 42, 44 befinden sich hierzu einspeiseseitig vor der Entkeimungseinheit 50 und am Luftauslass 25.
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Der Reinigungsschritt im Photobioreaktor 20 basiert auf der Anreicherung des Kohlenstoffdioxids aus der Raumluft im Nährmedium und die anschließende photosynthetische Umsetzung des gelösten Kohlenstoffdioxids zu Sauerstoff durch die verkapselten Mikroorganismen 2. Hierzu wird der vorgereinigte, keimarme Luftstrom langsam über die verschließbare Luftzufuhr 24 in den Photobioreaktor 20 eingeleitet und anschließend über den Luftauslass 25 und den Sensor 42 in die Raumluft zurückgeführt. Da die Photosyntheseleistung der Mikroorganismen und somit der Umsatz von CO2 zu O2 mit der Lichtintensität und der Wellenlänge der Lichteinheiten korreliert, kann entsprechend des sensorisch 44, 42 erfassten CO2-Gehalts eine Anpassung der Lichtintensität und Wellenlänge der Lichtquellen 46, 48 über die Steuereinheit 40 erfolgen. Befindet sich beispielsweise eine erhöhte Anzahl an Personen im Raum und wird daher ein erhöhter CO2-Gehalt erfasst, so kann über die Steigerung der Lichtintensität, ggf. auch durch eine zusätzliche Anpassung der Gebläseleistung, die CO2-Reduktion gesteigert werden. Alternativ kann die Regelung der Lichtquellen 46,48 und des Gebläses 70 durch die Steuereinheit 40 auch zeitgesteuert erfolgen, sodass beispielsweise an Tageszeiten mit geringem Personenaufkommen die Leistung gedrosselt wird. Zu diesem Zweck verfügt die Steuereinheit 40 über entsprechende Hard- und Software.
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Ferner entspricht die gestalterische Ausführung der gesamten Vorrichtung einem optisch ansprechenden Design und kann in bestehende Raumkonzepte integriert werden.
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2 zeigt eine weitere exemplarische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Luftreinigungs-Vorrichtung. Die Ausführungsform der 2 ähnelt in weiten Teilen der Ausführungsform der 1, sodass nachfolgend nur auf die Unterschiede näher eingegangen wird.
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Die Entkeimungseinheit 50 und der Photobioreaktor 20 liegen in technisch kombinierter Form vor. Das Nährmedium 4 mit den Mikroorganismen 2 befindet sich in einem zylinderförmigen oberen Abschnitt 20c des Reaktors 20 und die Entkeimungseinheit 50 ist in einem unteren Abschnitt 20d des Reaktors 20 angeordnet. Die beiden Abschnitte 20c und 20d sind durch einen Trennboden mit einer zentralen Öffnung, die mit einer gasdurchlässigen Membran 94 verschlossen ist, voneinander getrennt. Durch diese Membran gelangt die entkeimte Luft von Abschnitt 20d nach 20c. Über eine verschließbare Ablauföffnung 97 kann das Nährmedium 4 dem oberen Abschnitt 20c entnommen werden.
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Die Entkeimungseinheit 50 umfasst ein antiseptisches Textil sowie einen Zerstäuber 92 zur Bildung eines Aerosols aus einer Flüssigkeit 52, zumeist Wasser. Mit dem Luftstrom eingetragene Keime werden im Aerosol gebunden, bzw. herausgewaschen und anschließend durch Tropfenbildung auf dem antiseptischen Textil abgetötet. Das antiseptische Textil kann ein silberhaltiges Textil sein. Die im unteren Abschnitt 20d befindliche Flüssigkeit 52 kann über eine Ablauföffnung 98 entnommen werden. Die Entkeimungseinheit 50 im unteren Abschnitt des Reaktors 20b ist aus gestalterischen Gründen nicht nach außen sichtbar.
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Die Steuerung des regelbaren Gebläses 70 und der regelbaren Lichtquellen 46, 48 erfolgt über die zentrale Steuereinheit 40, wie oben beschrieben. Zusätzlich kann auch ein Betrieb des Zerstäubers 92 über die Steuereinheit 40 geregelt werden. So kann beispielsweise mit Erhöhung des Luftstroms auch das Volumen der zu zerstäubenden Flüssigkeit 52 erhöht werden.
