DE102022100209A1

DE102022100209A1 - Photobioreaktor zur Lebenderhaltung von Algen mit von außen beleuchteten Fächern

Info

Publication number: DE102022100209A1
Application number: DE102022100209.8A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Solaga Ug Haftungsbeschraenkt De
Priority date: 2022-01-05
Filing date: 2022-01-05
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2042-01-06
Also published as: DE102022100209B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Photobioreaktor und ein Gehäuse um diesen herum zur effektiven Nutzung von auf Trägermaterialien angewachsenen oder anwachsenden photosynthetisch aktiven Mikroorganismen. Der Photobioreaktor enthält übereinander angeordnete Lichtablenkungsplatten, die das von außen durch eine transparente Seitenwand eingestrahlte Licht gleichmäßig auf die darunter liegende Lichtablenkungsplatte verteilt. Das Gehäuse dient der Nutzung im Außenbereich. Es werden weiterhin Verfahren zum Anwachsen der Biomasse, zum Luft- und zum Wassereinigen offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft einen Photobioreaktor und ein Gehäuse um diesen herum zur effektiven Nutzung von auf Trägermaterialien angewachsenen oder anwachsenden photosynthetisch aktiven Mikroorganismen (PAM).
Aus US10072239B1 ist ein Photobioreaktor bekannt, bei dem PAM senkrecht nebeneinander mittels einer porösen 2-Schicht-Mittelebenenversorgung kultiviert werden können. Die Lichtversorgung stellt bei der Bauart jedoch ein Skalierungshindernis dar, da ab einer gewissen Größe die PAM in der Mitte der Ebenen kein Licht mehr abbekommen.
WO2002005932A1 beschreibt ein Verfahren zum Entfernen von CO2 aus einem strömenden Gas, wobei das Verfahren das Durchleiten des strömenden Gases durch einen Behälter umfasst, der mindestens eine Membran enthält, auf der Cyanobakterien angeordnet ist. Ziel ist es, die durch das CO2 stark wachsenden Cyanobakterien zu ernten. Die Anordnung der Membranen ist auch hier nahezu vertikal wodurch es ebenfalls zu Skalierungshemmnissen kommen kann, da ausschließlich eine Beleuchtung von oben erfolgt. Beleuchtungen im Reaktorbereich führen darüber hinaus häufig zu Problemen aufgrund der hohen Luftfeuchtigkeit entsprechend zu häufig notwendig werdender und aufwendiger Wartung. Zudem werden die PAM hier nicht als molekulare Fabriken eingesetzt, sondern ausschließlich zur Anzucht und zum anschließenden Ernten genutzt.
In WO2015087169A2 ist ein Photobioreaktor in Form eines Regales für die Kultivierung von PAM vorgesehen, der eine Vielzahl von langen Fächern umfasst, die mit einem lichtdurchlässigen, biegsamen, wasserundurchlässigen Material begrenzt werden, wobei jedes Fach Kulturmedium aufnehmen kann, dass durch jeweils ein Versorgungsrohr, das auch Gas transportiert, angeliefert wird. Jedes Fach ist zudem mit einem Beleuchtungssystem und einem Erntesystem verbunden. Der Bioreaktor kann für die Züchtung von einzelligen Mikroorganismen und anderen kleinen mehrzelligen Organismen verwendet werden. Die PAM werden in dem Reaktor ausschließlich zur Züchtung eingesetzt. Damit verbunden sind Probleme bei der Reinigung, aber auch bei der effizienten und kontaminationsfreien Entfernung der Biomasse. Beleuchtungen im Reaktorbereich sind zudem problematisch.
WO2013096488A2 beschreibt einen skalierbaren Photobioreaktor bestehend aus perforierten, aufeinandergesteckten Platten, die so gestapelt sind, dass der zusammengesetzte Bioreaktor über die notwendigen Verteiler und Kammern verfügt, um Gas und Flüssigkeiten zu einem im Bioreaktor enthaltenen Biomaterial zu transportieren und die Reaktionsprodukte entfernbar sind. Es ist jedoch ein hoher Aufwand die einzelnen Platten zu fertigen, mit Licht, Medium und Luft zu versorgen, zu ernten und zu reinigen.
In WO2015172256A1 wird ein PAM-Wachstumssystem offenbart, zu dem ein Gestell mit mindestens zwei horizontalen Plattenschichten gehört, die auf dem Gestell montiert sind, Einlass- und Auslassverteiler, ein mit dem Einlassverteiler verbundener Tank, ein Erntesystem mit einer Klinge zum Abschaben von Algen von den horizontalen Plattenschichten und eine Vakuumeinrichtung in Verbindung mit der Klinge. Das Biofilm-Wachstumssystem ist zur Verwendung bei der Züchtung von Biofilm erzeugenden Organismen, wie z.B. Algen, bestimmt. Die Versorgung mit Licht, Medium und Luft ist in dem Reaktor sehr aufwendig, da jede Plattenschicht einzeln versorgt wird mit Zu- und auch Ablauf.
US6083740 zeigt ein System zur Reinigung von verschmutzter Luft durch die Verwendung von Algen wie Spirulina, die in der Lage sind, CO2, NO2 und/oder SO2 in verunreinigter Luft zu reduzieren und Sauerstoff zu erzeugen. Das System umfasst einen Kulturtank, der mit einer Kulturflüssigkeit gefüllt ist, die die Algen enthält, eine Luftzufuhreinheit, um die verschmutzte Luft in die Kulturflüssigkeit zu pumpen und CO2, NO2 und/oder SO2 in der Kulturflüssigkeit zu lösen. Bei dem System handelt es sich um ein Flüssigsystem, in dem die Versorgung mit Licht, Medium und Luft energieaufwendig ist, die Wartung der Reaktoren vor allem wegen Kontaminationen durch sog. „Biofouling“ aufwendig ist und ein hoher Wasserbrauch besteht.
Aus der Literatur sind senkrechte Bioreaktoren mit porösen Substraten sogenannte „PSBR“ (porous substrate (photo) bioreactors) bekannt. B. Podola et. al 2017 beschreiben einen PSBR, dessen Kernkomponente, ein dünnes und poröses blattförmiges Material ist, das als Träger für die Immobilisierung von Mikroalgen durch Selbstadhäsion dient. Ein ähnliches System wird von Shi et al. 2014 präsentiert. Bei ihnen handelt es sich um einen Prototypen eines zweischichtigen Photobioreaktors, in dem die Grünalge Halochlorella rubescens auf vertikalen, blattartigen Oberflächen immobilisiert wird, und mit primären und sekundären kommunalen Abwässern versorgt wird. Bei vertikalen Systemen ist immer viel Arbeit zu leisten, um die PAM vor allem mit Medium zu versorgen. Außerdem sind die Systeme sehr kontaminationsanfällig, da Keime von oben in die zu meist nicht abgeschlossenen Systeme eindringen können. Die Luft- und Lichtversorgung sind nicht effizient gestaltet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen effizienten Photobioreaktor mit Gehäuse zu entwickeln, der ohne großen Energie-, Wartungs- und Wasseraufwand lebendige Mikroorganismen, vor allem PAM, behaust, mit deren Einsatz als molekulare Fabriken effizient Prozesse der Umwandlung von Schadstoffen in Wertstoffe durchgeführt werden können und in dem die PAM auch nach obigen Kriterien erzeugt werden können.
Die Aufgabe wird gelöst unter anderem durch die Ansprüche 1, 10, 17, 18 und 19. Hiernach werden ein Photobioreaktor und das dazugehörige Gehäuse offenbart. In dem Photobioreaktor sind mindestens zwei übereinander liegende Lichtablenkungsplatten dadurch jeweils einen Reaktionsraum bildend in einem quaderförmigen Photobioreaktor mit Wasser- und Luftversorgung angeordnet, auf denen sich ein Vlies oder ein anderes Trägermaterial befindet, auf dem zu mindestens photosynthetisch aktive Mikroorganismen angewachsen oder anwachsend sind, die Seitenwände des Reaktors zu mindestens an den zu den Seiten der Lichtablenkungsplatten parallelen, gleich großen Flächen transparent sind und Lampen von außen die Lichtablenkungsplatten beleuchten. Zur Wasserversorgung soll bevorzugt eine Schlauchquetschpumpe verwendet werden, um Kontaminationen zu vermeiden. Das zu dem Photobioreaktor gehörige Gehäuse dient dem Einsatz im Außenbereich. In dem Reaktor und dem Gehäuse kann sowohl Luft- als auch Wasserreinigung betrieben werden.
Lichtablenkungsplatten sind Platten aus Glas oder einem anderen stabilen, transparentem Material, durch die Lichtstrahlen entlang der Längsachse gelangen können, nachdem eine schmale Seite der Platte mit Licht bestrahlt wurde, wobei sie im Laufe des Durchtritts durch Spiegel oder andere Ablenkungsmaterialien in überwiegend orthogonaler Richtung auf einer oder zwei Seiten abgelenkt werden, wodurch eine gleichmäßige Verteilung des Lichts auf einer breiten, zur Lichtablenkungsplatte parallelen Fläche ermöglicht wird.
Das Vlies oder das andere Trägermaterial dient dem Anwachsen der Mikroorganismen und der Ausbildung eines Biofilms, d.h. einer Exopolysaccharidschicht (EPS), die die Mikroorganismen vor äußeren Bedingungen wie Keimen, Temperaturunterschieden, Salzstress und Austrocknung schützt. Zudem werden Nährstoffe gleichermäßig innerhalb des Biofilms verteilt. Ein Vlies ist ein Stoff aus zusammenhaftenden Fasern. Zur besseren Ausbildung des Biofilms ist das Vlies oder das andere Material vorzugsweise wasseraufnehmend, -speichernd leitend. Neben faserigen Stoffen kommen vor allem Textilien in Betracht, die zu einer Vernetzung der filamentösen PAM beitragen.
Die PAM können filamentöse Cyanobakterien oder Grünalgen sein. Sie können alleine oder in einer Mischung bzw. Symbiose mit nichtphotosynthetisch aktiven Mikroorganismen, d.h. Bakterien, Pilzen, Archaeen oder ähnlichem vorhanden sein. Sie können ein- oder mehrzellig sein.
Die PAM können außerhalb des Photobioreaktors vorher zu Biofilmen gezüchtet worden sein und dann in diesen eingeführt werden, um als molekulare Fabrik Schadstoffe umzuwandeln. Die Biofilme können aber auch in einem Anzuchtsmodus erst im Reaktor gezüchtet werden. Dazu werden die PAM in Flüssigkultur kultiviert und dann auf das Trägermaterial übertragen. Die Reifung zu Biofilmen findet dann im Reaktor statt. Im Anschluss können sie entnommen werden. Bei der Anzucht ist das für die jeweiligen Mikroorganismen empfohlene Medium zu nehmen. Bei der Nutzung als molekulare Fabrik sind die Düngerbestandteile wegzulassen, da die Mikroorganismen sich weniger stark vermehren.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Platten 2 bis 10 Grad geneigt im Verhältnis zum Boden. Dadurch hat die Lichtablenkungsplatte eine obere Seite, die zur Ebene der Decke zeigt und eine untere Seite, die zur Ebene des Bodens zeigt. Die Neigung dient dem besseren Abfluss des Mediums. Es wurde gezeigt, dass 1 Grad zu wenig ist, da sich das Medium zu sehr aufstaut und die Biofilme keine aerobe Stofffixierung vornehmen können. Mehr als 10 Grad führt jedoch zu einer geringen Verweilzeit und einem Abspülen im Anzuchtsmodus.
Die Platten sind zudem parallel zueinander angeordnet. Dies führt dazu, dass das Medium nur auf einer Seite abfließt. Es hat den Vorteil, dass die Bewässerungseinheiten alle auf einer Seite angebracht werden können und damit einheitlich an einer Reaktorseitenwand versorgt werden können. Zudem kann die Packungsdichte gegenüber mäanderförmigen Reaktoraufbauten erhöht werden. Insgesamt ist ein Abstand von minimal 1 cm möglich. Insgesamt könnten zusammen mit den Platten ca. 80 Reaktionsräume pro 1 m eingesetzt werden, was schon bei 1 m² Fläche des Reaktionsraumes einer Gesamtfläche von 80 m² pro 1 m² Bodenfläche entspricht. Auch die Produktion des Reaktors und die Luftversorgung sind durch die gleichmäßige Anordnung der Platten leichter möglich, da mehr parallele Anordnungen vorhanden sind.
Zwischen unterer Seite und Seitenwand befindet sich ein Spalt von mindestens 5 mm, damit das Medium ablaufen kann.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform sind entsprechend der Anzahl der Platten zwei sich gegenüberliegende Fugen in der Seitenwand eingearbeitet, in die die Platten einschiebbar und entnehmbar sind. Durch die Entnehmbarkeit der Platten können bereits angewachsene Biofilme leichter in den Reaktor eingeführt und wieder entnommen werden. Des Weiteren ist eine Reinigung der Platten und des Reaktors leichter möglich. Nicht zu letzt können durch die Fugen die Lichtleiterplatten weiter nach außen reichen, wodurch eine Lichteinspeisung leichter erfolgen kann, da aufgrund des kürzeren Weges weniger Licht durch das transparente Material der Seitenwände verloren geht. Die Seitenwände sollten an den Fugen weniger als 8 mm dick sein, damit genügend Licht durchkommt. Der Abstand zwischen Platte und Seitenwand an der Fuge sollte jeweils maximal 3 mm groß sein, damit auch hier durch Reflexion und Ablenkung beim Übertritt zwischen den Grenzflächen nicht allzu viele Leitungsverluste auftreten.
Eine verbleibende Seitenwand bildet eine Tür, die an einer Seitenwand mit Fugen befestigt ist und eine Dichtung aufweist und/oder an eine am Photobioreaktor vorhandene im geschlossenen Zustand angrenzt. Durch die Tür wird ein Austausch der Lichtablenkungsplatten bzw. der Biofilme möglich.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist eine in Plattenrichtung verspiegelte Verdunkelung von außen zur Mitte gleichmäßig im Verdunkelungsgrad abnehmend unterhalb der Platten angebracht. Dadurch kann die Lichtverteilung je nach Material der Platten optimiert werden. Eine gleichmäßige Ausleuchtung der Biofilme ist wichtig.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist eine Sammellinse oder schwenkbare Lichtauffangeinheit außerhalb des Photobioreaktors vorhanden, durch die Sonnenlicht gesammelt werden kann. Es sind auch Lichtleitkabel oder -schächte vorhanden, die an der Fugenwand enden, so dass durch diese das Sonnenlicht zur Einspeisung in die Fugenwand und anschließend die Platten weitergeleitet wird. Durch diese Vorrichtung wird ein energieeffizienter Reaktor möglich, der keinen Strom für die Beleuchtung mehr benötigt.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform wird jeder Reaktionsraum durch eine Bewässerungseinheit bewässert, wobei die Bewässerungseinheit durch Betropfung, Besprühung oder Benebelung das Medium von oben auf die Platte befördert und in ihr gleichverteilt Öffnungen vorhanden sind. Bei Besprühung oder Benebelung sind die Öffnungen bevorzugt Düsen. Eine Bewässerung soll maximal 2 mm plattenabwärts unterhalb der oberen Seite erfolgen, damit der Biofilm ausreichend bewässert wird. Die Wasserpumpe ist mit einer Druckspülung zum Reinigen der Öffnungen ausgestattet. Dadurch können Verunreinigungen aus den Öffnungen ohne viel Aufwand herausgespült werden.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist in der Decke des Tanks eine Öffnung vorhanden, von der ein Festkörper, der Mineralstoffe und Spurenelemente enthält, in einer einem Fahrstuhl vergleichbaren Schiebevorrichtung entnehmbar bis zum Boden herabgesenkt werden kann, wobei der Festkörper auf einem Boden liegt, der gleichzeitig die Öffnung im herausgezogenen Zustand verschließt. Dadurch können dem Medium für eine längere Zeit wichtige Spurenelemente und Mineralstoffe hinzugefügt werden, die sich aus dem Festkörper herauslösen. Bevorzugt ist den herausgezogenen Boden und den Festkörper abdeckend ein Gehäuse mit einer Verbindung nach außen für die Bedienung der Schiebevorrichtung vorhanden, so dass innerhalb des Gehäuses Desinfektionsmaßnahmen wie Ozonierungen oder durch Chemikalien vorgenommen werden können und der Tank nicht kontaminiert wird.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform wird jeder Reaktionsraum separat im Gegenstrom zur Bewässerung belüftet wird. Die Lufteingangsrohre liegen folglich in der der Bewässerungseinheit gegenüberliegenden Seitenwand. Die Belüftung jeder einzelnen Fläche bietet sich bei der Luftreinigung an, da dadurch alle Biofilme gleichmäßig mit Luftschadstoffen behandelt werden. Insbesondere Feinstäube besitzen je nach Größe unterschiedliche Schwebzeiten. Größere Partikel würden sich bei einer Einleitung durch nur ein Lufteingangsrohr im unteren Bereich auch dort in der Nähe als erstes absetzen und nie die oberen Reaktionsräume erreichen.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist die Tür pro Reaktionsraum in eine separate Tür aufgeteilt, die unabhängig von den anderen Türen geöffnet werden kann. Dadurch können einzelne Reaktionsräume ohne größere Kontaminationsgefahr für die anderen geöffnet werden und PAM bzw. Platten eingeführt und auch entnommen werden.
Zu der Erfindung gehört weiter ein thermisch isoliertes Gehäuse, in dem ein oder mehrere Photobioreaktoren nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen entnehmbar eingesetzt sind, wobei bei mehreren Bioreaktoren die Luft-, Licht- und Wasserversorgung zentral gesteuert ist, insbesondere die Photobioreaktoren an nur einen Tank angeschlossen sind und das Gehäuse sich durch eine Tür öffnen lässt. Das Gehäuse ermöglicht einen Einsatz des Photobioreaktors im Außenbereich, da die Temperaturen im inneren durch die thermische Isolierung weniger stark schwanken. Durch zusätzliche Maßnahmen können sie konstant gehalten werden. Bei dem Einsatz mehrerer Reaktoren bietet sich eine zentrale Steuerung insbesondere die Verwendung nur eines Tankes an, damit das Gehäuse kleiner dimensioniert werden kann, um Platz zu sparen, aber auch die Wartung und Produktion weniger aufwendig ist. Weiterhin ist eine Tür zum Öffnen für die Wartung und den Austausch der Bioreaktoren vorgesehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Wärmetauscher mit einem Rücklauf für kondensiertes Wasser außerhalb des Gehäuses bevorzugt auf dem Dach angebracht und jeweils über eine Leitung mit dem Luftausgangsrohr und dem -eingangsrohr des Photobioreaktors verbunden. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad der Anlage. Im Reaktor ist warme, feuchte Luft. Die Wärme soll jedoch im Gehäuse bleiben. Daher muss sie durch einen Wärmetauscher auf die einströmende Luft übertragen werden. Das warme Wasser kondensiert dabei an der Grenzfläche zu der einströmenden Luft, die z.B. ein Metall sein kann, das Wärme leitet. Das kondensierte Wasser wird aufgefangen und in den Tank zurückgeleitet. Durch die Wasserrückgewinnung muss weniger häufig im Tank Medium nachgefüllt werden. Der Wärmetauscher ist außerhalb des Gehäuses angebracht, damit die kältere Umgebungsluft großflächig die Wärmetauschfläche umströmen kann. Der Wärmetauscher ist mit dem Reaktor verbunden, damit die Luft ein- und ausströmen kann.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist ein drehbarer Luftansauger unterhalb des Gehäuses vorhanden, der durch ein Rohr mit dem Wärmetauscher verbunden ist. Das Rohr kann auch durch das Gehäuse gehen, wobei bereits dort ein Wärmeaustausch stattfinden kann. Ein drehbarer und bevorzugt auch steuerbarer Luftansauger ermöglicht das Einsaugen von verschmutzter Luft aus einer Richtung aus der möglicherweise verschmutzte Luft kommt.
Dies kann beispielsweise ein Abgasrohr eines Fahrzeugs an einer Ampel sein. Es ist aufgrund des Absinkens von Feinstäuben effektiver die Luft von unten zu reinigen.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist ein Durchlauferhitzer und bevorzugt ein Peltierelement vor Einlauf in den Photobioreaktor oder die Photobioreaktoren vorhanden mit einer von der Temperatur des Mediums abhängigen Steuerung, nach der das Medium auf eine festgelegte Temperatur erhitzt oder, wenn das Peltierelement vorhanden ist, auf eine festgelegte Temperatur abgekühlt wird. Dadurch kann eine gleichmäßige Temperatur im Reaktor erhalten bleiben.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist eine Messstrecke im Gehäuse vorhanden, die Luftschadstoffsensoren für unter anderem Feinstaub, Stickoxide, flüchtige Chemikalien, Kohlenstoffoxide sowie Ozon enthält, und für die ein Luftstrom vom Hauptluftstrom durch ein T-Stück abgezweigt wird. Dadurch ist es möglich, die Luftverschmutzung und die Reinigungsleistung zu messen. Die Daten können bevorzugt über Fernverbindung an Auslesegeräte geschickt werden. Es ist eine Messung kurz nach dem Eingang und kurz vor dem Ausgang nötig, um die Daten vergleichen zu können. Die Abzweigung vom Hauptstrom ermöglicht eine Messung ohne, dass die gesamten Luftmassen durch den Sensor gehen müssen. Dazu ist ein T-Stück zu verwenden. Die Luft kann hin zum Sensor nochmal durch eine eigene Luftpumpe angesaugt werden.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform befindet sich ein Regenwassersammelbehälter mit einer mit einem Sieb versehenen Wasserleitung zum Tank auf dem Dach. Durch das aufgefangene Regenwasser kann der Wasserverlust durch die Luftabgabe reduziert werden und es muss weniger häufig Wasser nachgefüllt werden. Regenwassersammelbehälter ist ein möglichst über die gesamte Breite des Dachs ausgedehnter u-förmiger oder konkaver Behälter mit einem Tiefpunkt mit einem Sieb, an den die Wasserleitung zum Tank angeschlossen ist. Die Wasserleitung ist bevorzugt mit einem Ventil kurz hinter dem Tiefpunkt ausgestattet, das geschlossen werden kann, wenn die Temperatur des Regenwassers zu sehr von der optimalen Betriebstemperatur des Reaktors abweicht. Dazu muss ein Temperatursensor dem Ventil vorgeschaltet werden. Eine Steuerung regelt die Öffnung des Ventils.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform sind Solarzellen an der Außenwand oder auf dem Dach des Gehäuses vorhanden und bevorzugt ist ein Windrad zur ganzjährigen Stromgewinnung am Gehäuse angebracht. Diese Vorrichtungen ermöglichen optimalerweise kombiniert mit der Regenwassergewinnung und der Sammellinse eine autarke Versorgung der Anlage. Es wird Strom für den Durchlauferhitzer, die Pumpen, Sensoren und - soweit keine Sammellinse vorhanden ist - die zur Anstrahlung der Lichtablenkungsplatten installierten LEDs benötigt. Zur Speicherung der Energie für sonnen- oder windarme Tage wird bevorzugt eine Batterie verbaut mit einer Steuerung, die bestimmt, wann entsprechend der Wettervorhersage wie viel Strom verbraucht wird, ohne dass eine Ent- oder Überladung der Batterie erfolgt. Die Solarzellen sind produktionsseitig flexibel anbringbar, damit sie auf der Seite montiert werden können, auf der die Sonne am häufigsten scheint. Zur optimalen Lichtausbeute ist das Gehäuse mit der Längsseite in diese Richtung zu orientieren. Weiterhin bevorzugt sind die Solarzellen anklappbar, so dass sie entsprechend dem Sonneneinstrahlwinkel ausrichtbar sind, um die Effizienz zu steigern. Eine Mitwindanlage kann an einer Ecke des Gehäuses bevorzugt von außen angebracht werden. Beide Anlagen sind über eine Stromversorgung mit dem Inneren des Gehäuses zu verbinden. Das Windrad bzw. dessen Pfeilerende kann auch als Rotations- oder Spiralpumpe direkt die Kraft zum Pumpen des Mediums in die höheren Reaktionsräume übertragen.
Zu der Erfindung gehört ein Verfahren, bei dem der Photobioreaktor zur Luftreinigung eingesetzt wird, indem verschmutzte Luft in den Tank insbesondere durch einen Tellerausströmer hereingepumpt wird und anschließend durch eine Leitung zum Lufteingangsrohr oder den Lufteingangsrohren in den Photobioreaktor, die Luftschadstoffe durch die Mikroorganismen aufgenommen werden und gereinigte Luft durch das Luftausgangsrohr den Photobioreaktor verlässt. Um die mechanische Abscheideleistung des Reaktors zu bestimmen wurden zunächst Leermessungen durchgeführt. Bei diesen Messungen wurde das Wasser abgelassen und die Luftpumpen auf Dauerbetrieb gestellt. Um die Gesamtleistung des Systems, d.h. mit eingesetzten Biofilmen, zu untersuchen wurden sechs Messreihen mit Biofilmen durchgeführt. Der Tank wurde mit ca. 30I Nährmedium befüllt und der Füllstand markiert. Vor jeder Versuchsreihe wurde der Füllstand bis zur Markierung aufgefüllt. Die Luftpumpen waren auf Dauerbetrieb. Die Besprühung setzte alle 30 min. ein. Bei den Versuchsreihen wurde die Schadstoffkonzentration mit einem Benzinaggregat erhöht, um eine bessere Umgebung für die Stickstoffdioxid-Sensoren zu schaffen und den Einsatz an einem Verkehrsknotenpunkt zu simulieren. Es wurde am Multifilter auch eine Dichtigkeitsmessung durchgeführt, um mögliche Leckagen aufzuzeigen. Durchgeführt wurde die Messung mit Hilfe einer Nebelmaschine. Dazu wurde der Deckel des Wassertanks geöffnet und das Wasser mit Hilfe einer Pumpe abgelassen, anschließend der Tank mit Nebel gefüllt und wieder verschlossen. Die Beleuchtung und Luftpumpe waren während des Versuchs konstant eingeschaltet. Durch die eingeschaltete Luftpumpe verteilte sich der Nebel im gesamten Reaktor, wodurch Undichtigkeiten festgestellt und die Strömungsverteilung beobachtet werden konnte.

Bei jeder Messreihe wurden die Konzentrationen der drei anerkannten Feinstaubpartikelgrößen PM1, PM2.5 und PM10 über verschiedene Zeiträume gemessen. Für die Auswertung wurden die Eingangs- und Ausgangswerte gemittelt und die prozentuale Reduktion berechnet. Eine Übersicht der Ergebnisse ist in Tabelle 1 zu finden. Bei den Versuchen wurde eine Abnahme von im Schnitt mehr als 90 % der Feinstaubpartikel festgestellt. Tabelle 1: Aufnahmeraten des Photobioreaktors mit einer Biofilmfläche von 1,5 m²

Messreihe Nr.:	Bezeichnung	Reduktion (%)
Messreihe Nr.:	Bezeichnung	PM1	PM2.5	PM10
1	Leermessung	82,3	87,0	90,3
2	Leermessung	91,6	94,0	96,2
3	Leermessung	91,5	93,7	95,5
4	Leermessung mit Feinstaubquelle	20,4	63,2	58,6
5 6	Gesamtsystem Gesamtsystem	77,7 93,6	80,1 96,3	83,8 97,6
7	Gesamtsystem	93,2	93,6	94,4
8	Gesamtsystem	99,3	99,3	99,5
9	Gesamtsystem	98,0	97,7	97,6

Bei den Stickstoffdioxidmessungen wurden keine Leermessungen durchgeführt, da im Gegensatz zu den Feinstaubmessungen keine Ablagerung NO2 stattfinden kann. Die Aufnahme von NO2 ist im Schnitt bei 90 %. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2: Übersicht der Feinstaubmessergebnisse am Multifilter

Messreihe Nr.: Bezeichnung Reduktion (%)

1 Gesamtsystem 87,3

2 Gesamtsystem 89,6

3 Gesamtsystem 90,7

4 Gesamtsystem 87,1

5 Gesamtsystem 92,1
Zu der Erfindung gehört darüber hinaus ein Verfahren, bei dem der Photobioreaktor vor der Benutzung weites gehend entkeimt wird, die Mikroorganismen in oder außerhalb des Reaktors auf das Vlies oder ein anderes Trägermaterial aufgebracht werden, bevorzugt mit einem CO2-Luftgemisch begast werden, die Mikroorganismen in dem Photobioreaktorwachsen, bevorzugt einen Biofilm ausbilden, nach der Reifung die Mikroorganismen für weitere Anwendungen im Photobioreaktor verbleiben oder entnommen werden. Dieses Verfahren ermöglicht die räumlich und logistisch effizienteste Anzucht der Biofilme im Reaktor. Eigene Versuchsreihen erzielten diesbezüglich gute Ergebnisse. Bei der Steuerung können Automatisierungsalgorithmen und künstliche Intelligenz die Ergebnisse noch verbessern. Dazu sind vor allem entsprechende Analyseverfahren zum Zustand der Biofilme nötig. Bevorzugt werden in Flüssigkultur vorkultivierte PAM in den Tank eingefüllt und die über Bewässerungseinheit auf Trägermaterial gleichmäßig verteilt.
Zu der Erfindung gehört darüber hinaus ein Verfahren, bei dem unter anderem mit Mikroplastik, Medikamenten oder Medikamentenresten verschmutztes Wasser zur Reinigung durch die Mikroorganismen in dem Photobioreaktor verwendet wird. EI-Enany et al. 2000 hat gezeigt, dass Cyanobakterien Schwermetalle aufnehmen. Wir haben in eigenen Versuchen gezeigt, dass cyanobakterielle Biofilme aber auch Mikroplastik aufnehmen können, welche dabei in die EPS einwandert. Es wird vermutet, dass alle C-haltigen Verbindungen durch die PAM aufgenommen werden können.
Quellen:
Shi et al. 2014, Application of a prototype-scale Twin-Layer photobioreactor for effective N and P removal from different process stages of municipal wastewater by immobilized microalgae. Bioresour. Technol. 154, 260-266.
El-Enany et al. 2000, Cyanobacteria as a biosorbent of heavy metals in sewage water, Environmental Toxicology and Pharmacology 8 (2000) 95-101.

1 zeigt den geöffneten Photobioreaktor aus einer Schrägperspektive von vorne.
2 ist ein Querschnitt der Lichtablenkungsplatten im Photobioreaktor und der Lampen außerhalb
3 zeigt ein Aufbauschema des Photobioreaktors im Gehäuse
4 zeigt ein Aufbauschema von 2 Photobioreaktoren im Gehäuse

Im konkreten Ausführungsbeispiel, das in den 1-3 dargestellt ist, handelt es sich um einen quaderförmigen Photobioreaktor (1) aus durchsichtigem Acrylglas mit einem Wasserablauf (2) am Boden (3) des Photobioreaktors (1) in einem Gehäuse (41). Ein Tank (4) mit Medium (5) befindet sich in unmittelbarer Nähe. Eine Zuleitung (6) aus Plastik oder Silikon führt vom Wasserablauf (2) zum Tank (4). Das Medium (5) läuft aufgrund der Gravitation oder mittels einer Wasserpumpe (7) zum Tank (4). Von dort wird das Medium (5) mittels einer Wasserpumpe (7) durch eine Rückleitung (8) zum Photobioreaktor (1) zurückgepumpt. An dem Photobioreaktor (1) ist ein Lufteingangsrohr (9) mit vorgeschalteter Luftpumpe (10) befestigt. Durch ein Luftausgangsrohr (11) kann die Luft wieder ausströmen. In dem Photobioreaktor (1) sind 5 Platten (12) übereinander angeordnet dadurch 4 Reaktionsräume (13) bildend. Die Platten (12) sind nach unten abstrahlende Lichtablenkungsplatten. Darauf befindet sich ein Vlies (14), auf dem Grünalgen zusammen mit anderen Mikroorganismen (15) hier Bakterien angewachsen sind. Die Seitenwände (16) sind an den zu den Seiten (17) der Lichtablenkungsplatten (12) parallelen, gleich großen Flächen (18) transparent. LED-Lampen (19) beleuchten von außen die Lichtablenkungsplatten (12). An den Lichtablenkungsplatten (12) wird das Licht auf die Mikroorganismen (15) gelenkt. Sie nehmen Luftschadstoffe, die durch das Lufteingangsrohr (9) in den Photobioreaktor (1) gepumpt werden auf. Aus dem Luftausgangsrohr (11) strömt saubere Luft. Der Photobioreaktor (1) wird von einem Gehäuse (41) eingeschlossen.
Bezugszeichenliste

1: Photobioreaktor
2: Wasserablauf
3: Boden
4: Tank
5: Medium
6: Zuleitung
7: Wasserpumpe
8: Rückleitung
9: Lufteingangsrohr
10: Luftpumpe
11: Luftausgangsrohr
12: Platten
13: Reaktionsraum
14: Vlies
15: Mikroorganismen
16: Seitenwände des Photobioreaktors
17: Seiten der Platten
18: Zu (17) parallele, gleich große Abschnitte der Seitenwände
19: Lampen
20: Obere Seite der Platten
21: Decke des Photobioreaktors
22: Untere Seite der Platten
23: Nicht belegt
24: Fugen
25: Fugenwände
26: Tür
27: Dichtung
28: Verdunkelung
29: Sammellinse
30: Lichtleitkabel
31: Bewässerungseinheit
32: Öffnungen der Bewässerungseinheit
33: Decke des Tanks
34: Öffnung des Tanks
35: Festkörper
36: Schiebevorrichtung
37: Boden des Tanks
38: Boden von (36)
39: Separates Lufteingangsrohr
40: Separate Tür
41: Gehäuse
42: Wärmetauscher
43: Rücklauf
44: Dach des Gehäuses
45: Leitung
46: Luftansauger
47: Rohr
48: Durchlauferhitzer
49: Peltierelement
50: Steuerung
51: Luftschadstoffsensoren
52: T-Stück
53: Regenwassersammelbehälter
54: Sieb
55: Wasserleitung
56: Solarzellen
57: Seitenwand
58: Windrad
59: Tellerausströmer
60: Leitung
61: Spiegelelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 10072239 B1 [0002]
WO 2002005932 A1 [0003]
WO 2015087169 A2 [0004]
WO 2013096488 A2 [0005]
WO 2015172256 A1 [0006]
US 6083740 [0007]

Claims

Quaderförmiger Photobioreaktor (1) mit einem Wasserablauf (2) am Boden (3), einem Tank (4) mit Medium (5), einer Zuleitung (6) vom Wasserablauf (2) zum Tank (4), einer Wasserpumpe (7), einer Rückleitung (8) zum Photobioreaktor (1), einem Lufteingangsrohr (9) mit vorgeschalteter Luftpumpe (10), einem Luftausgangsrohr (11) am Photobioreaktor (1), mindestens 2 übereinander angeordneten Platten (12) dadurch jeweils einen Reaktionsraum (13) bildend, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (12) nach unten abstrahlende Lichtablenkungsplatten sind, auf denen sich ein Vlies (14) oder ein anderes Trägermaterial befindet, auf dem Mikroorganismen (15), zu mindestens photosynthetisch aktive, angewachsen oder anwachsend sind, die Seitenwände (16) zu mindestens an den zu den Seiten (17) der Lichtablenkungsplatten (12) parallelen, gleich großen Abschnitten (18) transparent sind und Lampen (19) von außen die Lichtablenkungsplatten (12) beleuchten.
Photobioreaktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (12) 2 bis 10 Grad geneigt zum Boden (3) sind, eine obere Seite (20) zur Decke (21) zeigend und eine untere Seite (22) zum Boden (3) zeigend bildend, dass sie parallel zueinander angeordnet sind und dass zwischen unterer Seite (22) und Seitenwand (16) ein Spalt von mindestens 5 mm sich befindet.
Photobioreaktor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend der Anzahl der Platten (12) zwei sich gegenüberliegende Fugen (24) in zwei sich gegenüberliegenden Seitenwänden (16) vorhanden sind, Fugenwände (25) bildend, in die die Platten (12) einschiebbar sind, und eine verbleibende Seitenwand (16) eine Tür (26) bildet, die an einer Seitenwand (16) mit Fugen (24) befestigt ist und eine Dichtung (27) aufweist und/oder an eine am Photobioreaktor (1) vorhandene im geschlossenen Zustand angrenzt.
Photobioreaktor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Plattenrichtung verspiegelte Verdunkelung (28) von außen zur Mitte gleichmäßig im Verdunkelungsgrad abnehmend unterhalb der Platten (12) angebracht ist.
Photobioreaktor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sammellinse (29) oder schwenkbare Lichtauffangeinheit außerhalb des Photobioreaktors (1) vorhanden ist, und Lichtleitkabel (30) oder -schächte vorhanden sind, die an der Fugenwand (25) enden, so dass durch diese das Sonnenlicht zur Einspeisung in die Fugenwand (25) und anschließend die Platten (12) weitergeleitet wird.
Photobioreaktor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Reaktionsraum (13) durch eine Bewässerungseinheit (31) bewässert wird, wobei die Bewässerungseinheit (31) durch Betropfung, Besprühung oder Benebelung das Medium (5) von oben auf die Platte (12) befördert, in ihr in der Breite gleichverteilt Öffnungen (32) vorhanden sind und die Wasserpumpe (7) mit einer Druckspülung zum Reinigen der Öffnungen (32) ausgestattet ist.
Photobioreaktor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Decke (33) des Tanks (4) eine Öffnung (34) vorhanden ist, von der ein Festkörper (35), der Mineralstoffe und Spurenelemente enthält, in einer einem Fahrstuhl vergleichbaren Schiebevorrichtung (36) entnehmbar bis zum Boden (37) herabgesenkt werden kann, wobei der Festkörper (35) auf einem Boden (38) liegt, der gleichzeitig die Öffnung (34) im herausgezogenen Zustand verschließt.
Photobioreaktor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Reaktionsraum (13) separat durch ein der Bewässerungseinheit (31) gegenüberliegendes Lufteingangsrohr (39) im Gegenstrom zur Bewässerung belüftet wird.
Photobioreaktor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tür (26) pro Reaktionsraum (13) in eine separate Tür (40) aufgeteilt ist, die unabhängig von den anderen Türen (40) geöffnet werden kann.
Thermisch isoliertes Gehäuse (41), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (41) ein oder mehrere Photobioreaktoren (1) nach einem der vorherigen Ansprüche entnehmbar eingesetzt sind, wobei bei mehreren Photobioreaktoren (1) die Luft-, Licht- und Wasserversorgung zentral gesteuert ist, insbesondere die Photobioreaktoren (1) an nur einen Tank (4) angeschlossen sind und das Gehäuse (1) sich durch eine Tür (61) öffnen lässt.
Gehäuse (41) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (42) mit einem Rücklauf (43) für kondensiertes Wasser außerhalb des Gehäuses (41) bevorzugt auf dem Dach (44) angebracht ist und über jeweils eine Leitung (45) mit dem Luftausgangsrohr (11) und dem Lufteingangsrohr (9) des Photobioreaktors (1) verbunden ist.
Gehäuse (41) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein drehbarer Luftansauger (46) unterhalb des Gehäuses (41) vorhanden ist, der durch ein Rohr (47) mit dem Wärmetauscher (42) verbunden ist.
Gehäuse (41) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchlauferhitzer (48) und bevorzugt ein Peltierelement (49) vor Einlauf in den Photobioreaktor (1) oder die Photobioreaktoren (1) vorhanden sind mit einer von der Temperatur des Mediums (5) abhängigen Steuerung (50), nach der das Medium (5) auf eine festgelegte Temperatur erhitzt oder, wenn das Peltierelement (49) vorhanden ist, auf eine festgelegte Temperatur abgekühlt wird.
Gehäuse (41) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Luftschadstoffsensoren (51) für unter anderem Feinstaub, Stickoxide, flüchtige Chemikalien, Kohlenstoffoxide sowie Ozon im Gehäuse (41) vorhanden sind, für die ein Luftstrom vom Hauptluftstrom durch ein T-Stück (52) abgezweigt wird.
Gehäuse (41) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regenwassersammelbehälter (53) mit einer mit einem Sieb (54) versehenen Wasserleitung (55) zum Tank (4) sich auf dem Dach (44) befindet.
Gehäuse (41) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Solarzellen (56) an der Seitenwand (57) oder auf dem Dach (44) vorhanden sind und bevorzugt ein Windrad (58) zur ganzjährigen Stromgewinnung am Gehäuse (1) angebracht ist.
Verfahren für eine Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Photobioreaktor (1) zur Luftreinigung eingesetzt wird, indem verschmutzte Luft in den Tank (4) insbesondere durch einen Tellerausströmer (59) hereingepumpt wird und anschließend durch eine Leitung (60) zum Lufteingangsrohr (9) oder den Lufteingangsrohren (9) in den Photobioreaktor (1), die Luftschadstoffe durch die Mikroorganismen (15) aufgenommen werden und gereinigte Luft durch das Luftausgangsrohr (11) den Photobioreaktor (1) verlässt.
Verfahren für eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Photobioreaktor (1) vor der Benutzung weites gehend entkeimt wird, die Mikroorganismen (15) in oder außerhalb des Photobioreaktors (1) auf das Vlies (14) oder ein anderes Trägermaterial aufgebracht werden, bevorzugt mit einem CO2-Luftgemisch begast werden, die Mikroorganismen (15) in dem Photobioreaktor (1) wachsen, bevorzugt einen Biofilm ausbilden, nach der Reifung die Mikroorganismen (15) für weitere Anwendungen im Photobioreaktor (1) verbleiben oder entnommen werden.
Verfahren für eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass unter anderem mit Mikroplastik, Medikamenten oder Medikamentenresten verschmutztes Wasser zur Reinigung durch die Mikroorganismen (15) in dem Photobioreaktor (1) verwendet wird.