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Die Erfindung bezieht sich auf einen Photobioreaktor, der einen Behälter zur Aufnahme einer Nährlösung sowie eine Beleuchtungseinrichtung zum Lichteintrag in die Nährlösung umfasst. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Beleuchtungseinrichtung für einen Photobioreaktor sowie auf eine Scheibe der Beleuchtungseinrichtung. Schließlich bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Photobioreaktors in einem Verfahren zur Kultivierung von phototrophen Organismen sowie in einem Verfahren zur Reinigung von Abwasser unter Einsatz von phototrophen Organismen.
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Photobioreaktoren werden verwendet, um phototrophe Organismen zur technischen Nutzung zu kultivieren. Phototrophe Organismen sind solche Organismen, die den Prozess der Photosynthese nutzen, um aus Licht und Kohlenstoffdioxid (CO2) ihre eigene Biomasse und gegebenenfalls ein weiteres Zielprodukt zu generieren. Hierzu zählen beispielsweise Mikroalgen oder Cyanobakterien. Herkömmliche Photobioreaktoren umfassen üblicherweise einen Behälter zur Aufnahme einer Nährlösung, in der die Organismen kultiviert werden, ein System zum Eintrag von Kohlenstoffdioxid in die Nährlösung und eine Möglichkeit, Licht in das Nährmedium einzutragen. Hier stellt sich im Allgemeinen das Problem, wie der Eintrag von Licht in den Photobioreaktor, konkret in das Nährmedium, gestaltet werden kann. Typische Bauformen von Photobioreaktoren sind offene Teiche („Open Raceway Pond“), bei denen der Lichteintrag über die Teichoberfläche erfolgt, oder Röhrenphotobioreaktoren, bei denen die Nährlösung durch lange licht-transparente Röhren strömt, wobei die Lichtversorgung über die transparente Außenwand der Rohrleitung erfolgt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Photobioreaktor zur Kultivierung von phototrophen Organismen in einer Nährlösung anzugeben, der einerseits die Nutzung von Sonnenlicht zur Lichtversorgung der Organismen ermöglicht, der dabei aber andererseits einen besonders guten Lichteintrag in die Nährlösung sicherstellt.
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Bezüglich eines Photobioreaktors wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich einer Beleuchtungseinrichtung für den Photobioreaktor wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 8. Bezüglich einer Scheibe der Beleuchtungseinrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Der erfindungsgemäße Photobioreaktor zur Kultivierung von phototrophen Organismen umfasst einen Behälter zur Aufnahme einer Nährlösung sowie eine Beleuchtungseinrichtung mit mindestens einer um eine Achse rotierbaren Scheibe, die in den Behälter hineinragt. Die Achse steht dabei insbesondere zumindest annähernd senkrecht zur Flächenausdehnung der Scheibe. In bevorzugter Ausführungsform ist die Scheibe zumindest annähernd kreisrund ausgeführt. Andere Formen, beispielsweise polygonale Formen, sind alternativ jedoch auch möglich.
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Die Scheibe weist an ihrem Umfangsrand mindestens einen Lichtkollektor auf, der dazu eingerichtet ist, Licht, insbesondere Sonnenlicht, einzufangen. Bevorzugt ist der Lichtkollektor entlang des gesamten Umfangsrands angeordnet. An mindestens einer ihrer Flächenseiten weist die Scheibe mindestens ein Leuchtmittel auf, das dazu eingerichtet ist, Licht in die Nährlösung einzutragen. Vorzugsweise sind an der oder jeder Flächenseite mehrere, insbesondere eine Vielzahl von Leuchtmitteln angeordnet. Dabei sind der Lichtkollektor und das oder jedes Leuchtmittel wirktechnisch miteinander verbunden, so dass auf den Lichtkollektor auftreffendes Licht, insbesondere Sonnenlicht, direkt oder indirekt an das Leuchtmittel übertragbar und mittels des Leuchtmittels emittierbar ist.
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Bei bestimmungsgemäßem Betrieb des Photobioreaktors ragt die Scheibe derart in den Behälter hinein, dass sie zu einem Teil in die in dem Behälter aufgenommene Nährlösung eintaucht, während der übrige Teil der Scheibe und somit ein Abschnitt des Umfangsrandes außerhalb der Nährlösung angeordnet ist. Durch die Rotation der Scheibe taucht sukzessive jeweils ein anderer Teil der Scheibe in die Nährlösung ein, während ein anderer Abschnitt des Umfangrandes außerhalb der Nährlösung angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, dass Sonnenlicht mit Hilfe des umfänglich angeordneten Lichtkollektors zu dem flächenseitig angeordneten Leuchtmittel transportiert und innerhalb der Nährlösung emittiert wird. Durch die Rotation der Scheibe wird dabei vorteilhafterweise zudem ein vergleichmäßigter Eintrag von Licht in die Nährlösung ermöglicht. Vorteilhafterweise erfolgt demnach der Lichteintrag in das Nährmedium quasi „von innen“ heraus. Daher kann der Flüssigkeitsbehälter aus einem lichtundurchlässigen Material, beispielsweise aus lichtintransparentem Kunststoff oder aus Beton hergestellt sein. Die Reaktoroberfläche kann im Vergleich zu herkömmlichen als Open Ponds oder Röhrenreaktoren ausgeführten Photobioreaktoren wesentlich kleiner gebaut werden. Der gesamte Photobioreaktor ist hierdurch vorteilhafterweise vergleichsweise kompakt aufgebaut. Eine Überhitzung durch zu hohe Sonneneinstrahlung besteht vorteilhafterweise nicht oder kaum. Da für die vorteilhafte Beleuchtung von innen heraus die Nutzung von Sonnenlicht vorgesehen ist, kann dies vorteilhafterweise besonders energieeffizient geschehen.
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Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, dass der Lichtkollektor mit Hilfe eines Lichtwellenleiters mit dem Leuchtmittel verbunden ist, so dass auf den Lichtkollektor auftreffendes Licht, vorzugsweise Sonnenlicht, unmittelbar zur Flächenseite der Scheibe geleitet und dort bei bestimmungsgemäßem Betrieb des Photobioreaktors in die Nährlösung emittiert wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Lichtkollektor jedoch mindestens eine photovoltaische Zelle („Solarzelle“), die dazu eingerichtet ist, auf diese auftreffendes Licht, insbesondere Sonnenlicht, in elektrische Energie umzuwandeln. Das Leuchtmittel ist in diesem Fall als elektrisches Leuchtmittel ausgebildet und elektrisch mit der photovoltaischen Zelle verbunden.
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Vorzugsweise ist das Leuchtmittel dabei als eine Leuchtdiode ausgeführt. Vorteilhafterweise erfolgt hierdurch der Lichteintrag in die Nährlösung besonderes energieeffizient. Weiterhin ist das Lichtspektrum durch Einsatz einer entsprechenden Leuchtdiode vorteilhafterweise spezifisch an den Bedarf der kultivierten Organismen anpassbar.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Scheibe einen Energiespeicher zur Speicherung von elektrischer Energie, der der photovoltaischen Zelle und dem Leuchtmittel zwischengeschaltet ist. Vorteilhafterweise sind hierdurch Lichteinstrahlung auf den Lichtkollektor und Lichteintrag in die Nährlösung zeitlich entkoppelbar, so dass vorteilhafterweise auch dann Licht in die Nährlösung eingetragen werden kann, wenn auf den Lichtkollektor nur wenig oder gar kein Licht auftrifft (z.B. bei Dämmerung oder nachts).
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Scheibe des Photobioreaktors einen flächenseitig angeordneten Helligkeitssensor sowie eine integrierte Steuereinheit, die signaltechnisch mit dem Leuchtmittel und dem Helligkeitssensor verbunden ist. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, das Leuchtmittel in Abhängigkeit von einem mit dem Helligkeitssensor erfassten Helligkeitssignal anzusteuern. Beispielsweise ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das oder jedes Leuchtmittel erst unterhalb eines bestimmten Helligkeitssignals einzuschalten. Alternativ wird das oder jedes Leuchtmittel in Abhängigkeit von dem Helligkeitssignal gedimmt. Vorteilhafterweise wird hierdurch auf vergleichsweise einfache Weise sichergestellt, dass nicht zu viel Licht in die Nährlösung eingetragen wird. Zu hoher Lichteintrag hat sich als nachteilig für die Kultivierung von Mikroalgen erwiesen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Scheibe als eine abgeschlossene Baueinheit hergestellt, d.h. die Scheibe ist als eine für sich autarke Baueinheit konzipiert. Diese Ausführungsform zeichnet sich vorteilhafterweise durch eine besonders unaufwändige Konstruktion des Photobioreaktors aus. Zudem ist es im Fall von Verschleiß oder bei einer Störung besonders einfach möglich, die betroffene Scheibe auszutauschen. Ein weiterer Vorteil der Anordnung ist in der einfachen Skalierbarkeit zu sehen: Die Dimensionierung erfolgt vergleichsweise einfach über die Anzahl der aneinandergereihten Scheiben.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Scheibe als eine Filterscheibe ausgeführt, wobei die Scheibe in einzelne im Wesentlichen kreissektorförmige Filterkammern unterteilt ist, wobei jede Filterkammer an ihren Flachseiten mit einem Filtermedium bespannt ist, und wobei die Achse der Scheibe als Zentralrohr ausgeführt ist, das fluidtechnisch mit den Filterkammern in Verbindung steht, so dass Nährlösung durch das Filtermedium hindurch in die Filterkammern einströmbar und über das Zentralrohr ableitbar ist. Die oder jede Scheibe ist demnach in an sich herkömmlicherweise als eine Scheibe eines Scheibenfilters oder Tuchfilters ausgeführt. Diese Ausführungsform vereint in einer besonders kompakten Lösung in einem einzigen Reaktionsgefäß einerseits die Kultivierung von phototrophen Organismen, sowie andererseits die Abtrennung der Organismen von der Nährlösung.
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Der erfindungsgemäße Photobioreaktor wird vorzugsweise in einem Verfahren zur Kultivierung von phototrophen Organismen verwendet.
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Zusätzlich oder alternativ wird der erfindungsgemäße Photobioreaktor in einem Verfahren zur Reinigung von Abwasser unter Einsatz von phototrophen Organismen verwendet. In diesem Fall dient das zu reinigende Abwasser als Nährlösung für die phototrophen Organismen.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in einer Seitenansicht einen Photobioreaktor in einer ersten Ausführungsform,
- 2 den Photobioreaktor gemäß 1 in Draufsicht, und
- 3 den Photobioreaktor gemäß 1 in einer alternativen Ausführungsform.
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Einander entsprechende Teile und Strukturen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 und 2 zeigen einen erfindungsgemäßen Photobioreaktor 1 gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei der Photobioreaktor 1 in 1 in einer schematischen Seitenansicht und in 2 in Draufsicht gezeigt ist. Der Photobioreaktor 1 wird im Folgenden bezugnehmend auf die 1 und 2 detailliert beschrieben.
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Der Photobioreaktor 1 umfasst einen im Wesentlichen wannenförmigen Behälter 2 zur Aufnahme einer Nährlösung 4. Der Behälter 2 ist hier als ein „Aufstellbehälter“ aus Kunststoff, z.B. aus Polyethylen (PE) ausgeführt. Alternativ kann der Behälter 2 aber beispielswiese auch als ein „Betonbecken“ ausgeführt sein, das dann insbesondere in den Erdboden eingelassen ist.
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Der Photobioreaktor 1 umfasst weiterhin eine Beleuchtungseinrichtung 6, die ihrerseits eine Achse 8 sowie eine Vielzahl von in etwa kreisrunden Scheiben 10 umfasst. In ihrer jeweiligen Flächenausdehnung sind die Scheiben 10 in etwa orthogonal zur Achse 8 ausgerichtet. Die Scheiben 10 sind zueinander beabstandet gleichmäßig entlang der Achse 8 montiert. Ein an einem Längsende der Achse 8 angreifender Antrieb 12 dient dazu, die Achse 8 sowie die daran befestigten Scheiben 10 in eine durch einen Pfeil 14 gekennzeichnete Rotation um die Längsachse der Achse 8 zu versetzen. Der Antrieb 12 ist beispielsweise solarbetrieben .
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Jede Scheibe 10 ist an ihren beiden Flächenseiten 16 mit einer Vielzahl von Leuchtmitteln 18 bestückt, die im Betrieb einen Lichteintrag in das Nährmedium 4 bewirken. Jedes Leuchtmittel 18 ist durch eine Leuchtdiode (LED) gebildet. Zur Energieversorgung der Leuchtmittel 18 ist am Umfangsrand 20 jeder Scheibe 10 ein den Umfang der Scheibe 10 umgreifender Lichtkollektor 22 angebracht, der eine Vielzahl von entlang des Umfangsrands 20 angeordneten photovoltaischen Zellen 24 (Solarzellen) umfasst. Jede photovoltaische Zelle 24 ist jeweils an einen Energiespeicher 26 angeschlossen. Die Energiespeicher 26 sind beispielsweise durch Akkumulatoren oder Kondensatoren gebildet. Die Energiespeicher 26 dienen zur Energieversorgung der Leuchtmittel 18. Auf die photovoltaischen Zellen 24 auftreffendes Sonnenlicht wird so in elektrische Energie umgewandelt, in den Energiespeichern 26 zwischengespeichert und mittels der Leuchtmittel 18 in die Nährlösung 4 eingetragen.
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In der hier dargestellten Ausführungsform umfasst der Photobioreaktor 1 mehrere Helligkeitssensoren 28 die jeweils über eine hier nicht näher dargestellte Steuereinheit signaltechnisch mit den Leuchtmitteln 18 verbunden sind. In der dargestellten Ausführungsform ist beispielhaft jedem Leuchtmittel 18 ein separater Helligkeitssensor 28 und eine separate Steuereinheit zugeordnet. Alternativ ist vorgesehen, dass jeweils eine Gruppe von räumlich beieinander liegenden Leuchtmitteln 18 einem gemeinsamen Helligkeitssensor 28 zugeordnet ist. Jede Steuereinheit ist dazu eingerichtet, das jeweils zugeordnete Leuchtmittel 18 in Abhängigkeit von einem mit dem zugehörigen Helligkeitssensor 28 erfassten Helligkeitssignal anzusteuern, so dass die in das Nährmedium 4 eingetragene Lichtmenge automatisch an die vorherrschende Helligkeit im Photobioreaktor 1, konkret in der Nährlösung 4 angepasst wird.
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Jede Scheibe 10 bildet aus lichttechnischer und elektrotechnischer Sicht jeweils eine zusammenhängende, abgeschlossene Baueinheit, d.h. es gibt jeweils keine elektrische Verbindung nach außen. Jede Scheibe 10 kann beispielsweise insgesamt als Spritzgussteil gefertigt sein, wobei im Zuge der Herstellung die vorab miteinander verbundenen elektronischen Komponenten als Einlegteile umspritzt werden. Eine Herstellung der Scheibe 10 aus Partikelschaum, wobei wiederum die elektronischen Komponenten vormontiert als Einlegteile integriert werden, ist ebenfalls möglich. Hierbei ist zu beachten, dass gegebenenfalls einem Aufschwimmen der Scheibe 10 in der Nährlösung 4 durch eine gezielte Erhöhung ihres spezifischen Gewichts entgegengewirkt werden muss.
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Der Photobioreaktor 1 umfasst weiterhin eine erste Reinigungseinrichtung 30, die dazu dient, die photovoltaischen Zellen 24 von Ablagerungen freizuhalten und somit deren Funktionsfähigkeit zu gewährleisten. Die Reinigungseinrichtung 30 umfasst hier beispielsweise einen von einer Behälterwand nach innen ragenden Arm 32, der freiendseitig mit einer Abzugslippe 34 versehen ist, die dazu dient, die photovoltaischen Zellen 24 nach Art eines „Scheibenwischers“ zu reinigen. Alternativ oder zusätzlich ist ein Schwamm eingesetzt. Wiederum alternativ oder zusätzlich umfasst die Reinigungseinrichtung 30 eine Sprüheinrichtung, die dazu dient, eine sich auf den photovoltaischen Zellen ausbildende Schmutzschicht mit Spülwasser abzuspritzen.
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Optional umfasst der Photobioreaktor 1 auch zur Reinigung der Leuchtmittel 18 eine weitere Reinigungseinrichtung 36, die analog eine Abzugslippe und/oder einen Schwamm sowie zusätzlich oder alternativ eine Sprüheinrichtung umfasst.
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Im Innern des Behälters 2 sind auf dessen Boden 38 entlang der beiden Längskanten zwei perforierte Rohre 40 angeordnet, die über eine stirnseitige Behälterwand 42 nach außen geführt sind. Jedes Rohr 40 ist an seinem im Behälter 2 angeordneten Längsende verschlossen. An das außenseitige Längsende ist eine Kohlenstoffdioxidversorgung angeschlossen, gekennzeichnet durch die Pfeile 44.
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Der Photobioreaktor 1 kann im Batchbetrieb (Satzverfahren) oder im kontinuierlichen Betrieb betrieben werden. Im Batchbetrieb wird der Behälter 2 mit der Nährlösung 4 und einer Starterkultur von phototrophen Organismen - hier vereinfachend als „Biomasse 50“ bezeichnet - befüllt (inokuliert), die rotierende Beleuchtungseinrichtung 6 wird in Betrieb genommen und die Begasung mit Kohlenstoffdioxid wird gestartet. Das Wachstum der Biomasse 50 (der phototrophen Mikroorganismen) kann dabei sowohl suspendiert in der Nährlösung 4 als auch sessil auf der Oberfläche der Scheibe 10 erfolgen. Durch die Rotation der Scheiben 10 wird zum einen ein gleichmäßiger Lichteintrag in die Nährlösung 4 gewährleistet, zum anderen bewirkt die Rotation eine fluidtechnische Durchmischung. Optional an den Scheiben 10 angebrachte Paddel können die Durchmischung darüber hinaus forcieren. Sobald die Nährstoffe aus der Nährlösung 4 in Biomasse 50 umgesetzt sind, wird der Photobioreaktor 1 wieder geleert und die entstandene Biomasse 50 wird zur Weiterverarbeitung abgetrennt.
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Für einen kontinuierlichen Betrieb ist beispielswese an jeder längsseitigen Oberkante 52 des Behälters 2 jeweils eine Überlaufsammelrinne angeordnet (hier nicht dargestellt). Im Betrieb wird fortwährend frische Nährlösung 4 (in diesem Fall insbesondere Abwasser) in den Photobioreaktor 1 eingespeist. In dem Photobioreaktor 1 bildet sich Biomasse 50, teilweise in Form von Schlammflocken, die durch die Rotation der Scheiben 10 in Schwebe gehalten werden. Über die Überlaufsammelrinnen wird kontinuierlich Nährlösung 4 mit darin enthaltener Biomasse 50 aus dem Behälter 2 abgezogen und einer Weiterbehandlung (z.B. einem Absetzbecken) zugeführt.
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3 zeigt eine schematische Seitenansicht des Photobioreaktors 1 in einer alternativen Ausführungsform. Diese Ausführungsform entspricht in wesentlichen Teilen der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Im Unterschied dazu sind die Scheiben 10 hier jedoch im Wesentlichen als Filterscheiben ausgeführt.
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Der Photobioreaktor 1 ist hinsichtlich der Filterscheiben wie ein herkömmlicher Scheibenfilter aufgebaut. Jede Scheibe 10 umfasst demnach eine Anzahl von mit einem Filtermedium, hier einem Filtertuch 54, bespannten Filterkammern 56, die von der Nährlösung 4 von außen nach innen durchströmt werden, wobei die in der Nährlösung 4 gebildete Biomasse 50 auf dem Filtertuch 54 abgeschieden wird. Das abgezogene Filtrat wird in einem mit den Filterkammern 56 kommunizierenden Zentralrohr 58 gesammelt und abgeführt. In diesem Fall werden somit die Biomassebildung und die anschließende Biomasseabtrennung in einem einzigen Reaktor durchgeführt.
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Unabhängig davon, wie der erfindungsgemäße Photobioreaktor 1 ausgeführt ist, sind unterschiedliche Betriebsweisen möglich:
- a) Im Photobioreaktor 1 wachsen phototrophe Organismen, insbesondere Mikroalgen, und heterotrophe Bakterien symbiotisch: In Schlammflocken gebundene Bakterien produzieren CO2, das von ebenfalls in den Schlammflocken gebundenen Mikroalgen verstoffwechselt wird. Umgekehrt wird von den Mikroalgen produzierter Sauerstoff von den Bakterien verstoffwechselt. In diesem Fall wird auf eine Begasung mit CO2 verzichtet.
- b) Der Reaktor wird mit CO2 begast, wobei das CO2 insbesondere aus der Abluft einer Verbrennungsanlage stammt.
- c) Die LEDs werden je nach Verwendungszweck im sichtbaren Spektralbereich, im infraroten Bereich oder im UV-Bereich betrieben.
- d) Der Reaktor wird zur Reinigung von Abwasser verwendet, wobei dann insbesondere die symbiotische Betriebsweise nach Punkt a) vorgesehen ist.
- e) Der Reaktor wird gezielt zur Produktion von Mikroalgen verwendet, wobei dann insbesondere die Kultivierung von Monokulturen und eine Begasung mit CO2 vorgesehen ist. In diesem Fall ist der Reaktor vorzugsweise mit einer transparenten Haube gegen eindringende Kontaminationen geschützt. Beispielsweise wird der in den Mikrolagen enthaltene Ölanteil zur Herstellung von Biotreibstoffen verwendet. Alternativ werden die Mikroalgen zur Produktion von Fein- und Plattformchemikalien für die chemische Industrie wie z. B. Monomere für Biokunststoffe, bestimmte Fettsäuren und Isopren eingesetzt.
- f) Die produzierten Mikroalgen werden als Biomasse für eine Biogasanlage zur Herstellung von Methan eingesetzt.
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Die Erfindung wird an den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen besonders deutlich, ist auf diese Ausführungsbeispiele gleichwohl aber nicht beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung aus den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Photobioreaktor
- 2
- Behälter
- 4
- Nährlösung
- 6
- Beleuchtungseinrichtung
- 8
- Achse
- 10
- Scheibe
- 12
- Antrieb
- 14
- Pfeil
- 16
- Flächenseite
- 18
- Leuchtmittel
- 20
- Umfangsrand
- 22
- Lichtkollektor
- 24
- (photovoltaische) Zelle
- 26
- Energiespeicher
- 28
- Helligkeitssensor
- 30
- Reinigungseinrichtung
- 32
- Arm
- 34
- Abzugslippe
- 36
- Reinigungseinrichtung
- 38
- Boden
- 40
- Rohr
- 42
- Behälterwand
- 44
- Pfeil
- 50
- Biomasse
- 52
- Oberkante
- 54
- Filtertuch
- 56
- Filterkammer
- 58
- Zentralrohr
