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Die
vorliegende Erfindung betrifft Beleuchtungseinrichtungen für Bioreaktoren,
insbesondere eine Beleuchtungseinrichtung für Bioreaktoren, welche einen
gekrümmten
flächigen
Träger,
dessen konkave Seite mit mehreren über den Träger verteilten Leuchtdioden
(LEDs) versehen ist, aufweist.
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Die
Kultivierung photoautotropher Organismen in Biorekatoren erfordert
die ausreichende, zur Erzielung optimaler Ergebnisse meist genau
definierte, Zuführung
von Licht ins Reaktorinnere. Entsprechend beleuchtete Bioreaktoren
werden gängigerweise
als Photobioreaktoren bezeichnet.
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Herkömmlicherweise
wird die Beleuchtung von Photobioreaktoren meist mit Hilfe von konventionellen
Lichtquellen wie etwa Halogenlampen oder Neonröhren realisiert, die zumeist
extern angebracht sind und ihr Licht entweder direkt durch Reaktorfenster
bzw. transparente Reaktorwände
oder indirekt mittels Glasfasern in den Reaktor abgeben. Ein Beispiel
für letzteren
Ansatz ist in der Gebrauchsmusterschrift
DE 298 19 259 U1 beschrieben,
wobei sich die dort offenbarte Ausführung mit einem Rohrkörper durch
kurze Lichtwege im Reaktor auszeichnet. Gängiger ist jedoch weiterhin
die Außenanordnung
einer Beleuchtungseinrichtung.
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Mit
derartigen Beleuchtungseinrichtungen können zumeist nur relativ niedrige
Lichtintensitäten im
Reaktorinneren erreicht werden. Problematisch ist dabei auch die
in großem
Maße entstehende
Wärmeenergie.
Schnelle Hell-Dunkel-Zyklen bei gleich bleibender Lichtintensität fassen
sich durch die Verwendung von konventionellen Beleuchtungssystemen nicht
realisieren. Die Erzeugung definierter Lichtspektren erfordert das
Einsetzen von Filtern, wodurch ein zusätzlicher Verlust an Lichtintensität entsteht.
Zudem sind in Photobioreaktoren oft inhomogene Lichtintensitäten und
Abschattungseffelde zu beobachten. In vielen eingesetzten Photobioreaktoren
sind die verwendeten Lichtquellen sogar überhaupt nicht regelbar und
das Lichtspektrum nicht variierbar.
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Die
Gebrauchsmusterschrift
DE
20 2006 003 878 U1 offenbart eine Beleuchtungseinrichtung
der eingangs genannten Art, wobei eine definierte Beeinflussung
des Lichtspektrums durch gezielt ansteuerbare Leuchtdioden unterschiedlicher
Farben möglich ist.
Die Druckschrift lehrt dazu die Anordnung vieler kleiner, Gruppen
von Leuchtdioden tragender Platinen auf dem gekrümmten flächigen Träger. Weißlicht wird durch Überlagerung
von blauem, grünem
und rotem Licht erzeugt. Der Träger
umfängt
einen Teil der transparenten Zylinderwandung eines Bioreaktors;
genauere Vorschläge
zur technischen Ausgestaltung der Anordnung der Beleuchtungseinrichtung an
einem Bioreaktor macht die
DE 20 2006 003 878 U1 nicht. Auch die vorbeschriebene
Beleuchtungseinrichtung erreicht nicht immer die wünschenswerten
Lichtintensitäten
und ist zudem aufwendig in der Herstellung.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, in Photobioreaktoren
eine homogene, regelbare Lichtintensität, vorzugsweise mit einem einstellbaren
Lichtspektrum, zu erzeugen, und hierfür eine kostengünstige und
gut handhabbare technische Umsetzung zu ermöglichen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung können
gemäß einem
der Ansprüche
2 bis 17 gestaltet sein.
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Eine
weitgehend homogene Lichtverteilung hoher Intensität im Photobioreaktor
wird durch SMD-Leuchtdioden (Surface Mounted Device-Technik) realisiert,
mit welchen der als Leiterplatte ausgeführte Träger direkt bestückt ist.
Die direkte Bestückung
ermöglicht
zusammen mit der kompakten Bauform der SMD-LEDs eine sehr dichte
Bestückung, welche
vorzugsweise über
30%, besonders bevorzugt über
60%, bei Verwendung mehrschichtiger Leiterplatten sogar bis zu 75%
Bedeckung der Trägerfläche mit
LEDs erreichen kann. Es sind dem Sonnenlicht vergleichbare Lichtintensitäten von über 2000 μE/(m2s) möglich.
Die elektronische Ansteuerung kann ganz den Anwenderwünschen angepasst
werden, etwa zur Erzeugung und Untersuchung bestimmter Hell/Dunkel-Zyklen.
Beispielsweise ist eine schnelle Ansteuerung bis in den Kiloherzbereich
realisierbar.
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Die
direkte Bestückung
vereinfacht und verbillligt zudem die Herstellung. Die Leiterplattenkrümmung wird
vorteilhafterweise durch Einsatz einer biegbaren Leiterplatte, gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
mit Metallkern, erzielt. Biegbare Leiterplatten erlauben die Anpassung
an verschiedene Reaktorgeometrien, insbesondere Geometrien mit größerer und
kleinerer Wandkrümmung.
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Durch
Auswahl, Anordnung und Ansteuerung der Leuchtdioden läßt sich
eine fast unbegrenzte Vielfalt an definierten Beleuchtungsverhältnissen umsetzen.
So können
beispielsweise warmweiße LEDs
mit sonnenlichtähnlichem
Spektrum eingesetzt werden, unter Umständen auch in Kombination mit farbigen
bzw. im UV-Bereich strahlenden LEDs. Durch den kombinierten Einsatz
und die rechnergestützte
Steuerung von monochromatischen LEDs und solchen mit sonnenlichtähnlichem,
weißem Spektrum
lassen sich verschiedene Lichtintensitäten und -spektren erzeugen.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass
die Wärmeabstrahlung durch
die eingesetzten Lichtquellen gering ist. Eine genaue Temperierung
des Reaktors auch während dessen
Beleuchtung ist somit erleichtert. Insbsondere die vorzugsweise
vorgesehene Fertigung des Trägers
aus einer Leiterplatte mit Metallkern (z.B. Aluminiumkern) ermöglicht einen
guten Wärmeabtransport.
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Erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtungen
können
vorteilhaft sowohl auf dem Wege der Außenanordnung am Reaktor als
auch auf dem Wege der Reaktorinnenanordnung umgesetzt werden.
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Bei
der außenliegenden
Beleuchtungseinrichtung an transparenten Reaktorwänden kann
im Reaktorinneren (auch) radial eine nahezu homogene Lichtverteilung
erreicht werden. Der Radius eines zylindrischen Reaktors, der Abstrahlwinkel
der LEDs, der Abstand der LEDs von der Reaktorwand und die Zelldichte
können
derart gewählt
werden, dass die Überlagerung
von Linseneffekt und Absorption der Zellen zu einer annähernd konstanten
Lichtintensität entlang
des Reaktorradiuses führt.
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Eine
außenliegende
Beleuchtungseinrichtung ermöglicht
auf besonders einfache Weise die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
vorgesehene rückseitige
(das heißt
auf der der einseitig bestückten
Leiterplatte abgewandten Seite erfolgende) Kühlung. Die Beleuchtungsvorrichtung
verfügt
dann bevorzugt über
einen Kühlmantel
zur Wasserkühlung,
dessen innere Wandung mit der Platine identisch sein oder auch als
separate innere Wandung aus gut wärmeleitendem Material wie etwa
Kupfer ausgeführt
sein kann. Auch eine anderweitig realisierte Kühlung, beispielsweise mittels
Kühlrippen,
einem Kühlgebläse etc.
kann besonders vorteilhaft sein.
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Die
Kühlung
ist vor allem bei Einsatz von Starklicht wichtig; insbesondere sorgt
eine konstante Temperatur dafür,
dass sich das Emissionsspektrum nicht verändert. Dabei ist ein genereller Vorteil
der Beleuchtung mit LEDs, dass diese die Wärme nur "nach hinten" abgeben. So wird eine Aufheizung des Reaktorinhaltes
durch die externe Beleuchtung verhindert.
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Die
außenliegende
Ausführung
der Beleuchtungseinrichtung erlaubt, insbesondere wenn eine biegbare
Leiterplatte als Träger
fungiert, die einfache Nach- oder Umrüstung bestehender Bioreaktoren
mit hinreichend lichtdurchlässiger
Wandung.
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Eine
gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgesehene
Ausführung
der Beleuchtungseinrichtung mit einem gedichteten, vorzugsweise
autoklavierbaren Gehäuse, welches
für den
Einsatz in zylindrischen Reaktoren vorzugsweise in Form eines doppelwandigen
Rohrkörpers
ausgebildet ist, ermöglicht
die Anbringung der Beleuchtungseinrichtung im Reaktorinneren.
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Grundsätzliche
Vorteile von als Umwurfrohr ausgebildeten Beleuchtungskörpern, insbesondere die
resultierenden kurzen Lichtwege, sind in der eingangs genannten
Gebrauchsmusterschrift
DE
298 19 259 U1 genannt.
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Die
erfindungsgemäße Verwendung
von SMD-LEDs erlaubt die doppelseitige Bestückung von Leiterplatten, wodurch
beidseitig beleuchtete Umwurfrohre mit relativ kleinen Wandstärken (um
20 mm) realisiert werden können.
Die vorzugsweise vorgesehene separate Steuerung von LEDs auf Außen- und
Innenseite erlaubt die weitgehende Kompensation des Linseneffekts.
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Die
Kombination von Leuchtdioden (geringe Wärmeentwicklung) und Metallkernplatine
(guter Wärmetransport)
ermöglicht
dabei den Einbau auch von Beleuchtungseinheiten mit hohen Lichtintensitäten bis
600 μE/(m2s) oder unter Umständen auch darüber hinaus
ins Reaktorinnere. Für
bsonders hohe Lichtintensitäten
und entsprechende Leistungsaufnahmen der Beleuchtungseinheit kann
deren Gehäuse
zur Verbesserung des Wärmetransports
mit einem Kühlmittel
(z.B. Silikonöl)
befüllt
werden. Bei Bedarf kann die Konstruktion der Beleuchtungseinheit
so ausgeführt
werden, dass das Kühlmittel
extern temperiert werden kann.
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Innenliegende
Beleuchtungseinheiten sind nachrüstbar
auch für
Reaktoren mit intransparenten Wandungen, z.B. Edelstahlreaktoren.
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Grundsätzlich kann
jede im Rahmen der vorliegenden Anmeldung beschriebene bzw. angedeutete
Variante der Erfindung besonders vorteilhaft sein, je nach wirtschaftlichen
und technischen Bedingungen im Einzelfall. Soweit nichts gegenteiliges
dargelegt ist, bzw. soweit grundsätzlich technisch realisierbar,
sind einzelne Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen austauschbar oder
miteinander sowie auch mit aus dem Stand der Technik per se bekannten
Maßnahmen
kombinierbar.
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Nachfolgend
werden anhand der zugehörigen
Zeichnungen Beispiele bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung näher
erläutert.
Die Zeichnungen sind dabei rein schematische und, aus Gründen der
Anschaulichkeit, nicht maßstäbliche Darstellungen.
Insbesondere können
Verhältnisse
der Abmessungen zueinander von tatsächlichen Ausführungen
abweichen.
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Einander
entsprechende Elemente sind in den einzelnen Figuren jeweils, soweit
sinnvoll, mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1a zeigt
eine für
die Außenanordnung an
einer gekrümmten,
z.B. zylindrischen, transparenten Reaktorwand vorgesehene Beleuchtungseinrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erindung in einer teilgeschnittenen seitlichen
Ansicht.
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1b zeigt
eine Querschnittansicht der Beleuchtungseinrichtung aus 1a,
wobei die Schnittebene in 1a durch
eine gestrichelte Linie angedeutet ist.
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2 zeigt
eine für
die Innenanordnung in einem zylindrischen Reaktor vorgesehene Beleuchtungseinrichtung
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erindung im Querschnitt.
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Die
in 1a und b dargestellte Beleuchtugseinrichtung besitzt
einen außenliegenden
Kühlmantel 1,
welcher innenseitig von der mit SMD-Leuchtdioden 2 bestückten, gebogenen
Leiterplatte 3 und außenseitig
von einem Blech 4, welches beispielsweise aus einer Kupferlegierung,
Edelstahl oder Aluminium bestehen kann, begrenzt ist. Die LED-Bestückung befindet
sich dabei auf der freiliegenden konkaven Seite der Leiterplatte 3.
Der Kühlmantel 1 kann
mit Kühlwasser
durchströmt
werden, welches durch den Kühlwasseranschluss 5 und
das untere Verteilerrohr 6 eintritt sowie durch das obere
Verteilerrohr 7 und den Kühlwasserablauf 8 austritt.
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Zum
Verständnis
der Darstellung in 1a zu beachten ist, dass überlagert
zur gewählten Schnittebene
durch den Kühlmantel 1 auch
die Schnittebene durch Kühlwasseranschluss 5 und Kühlwasserablauf 8 dargestellt
sind, während
das untere Verteilerrohr 6 und das obere Verteilerrohr 7 ungeschnitten
jedoch mit gestrichelter Andeutung verdeckter Elemente (Innenwand,
Durchtrittsöffnungen 9)
dargestellt sind.
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Über Winkelbleche 10 ist
die Beleuchtungseinheit mit einem gekrümmten Blech 11 (in 1a nicht
dargestellt) verbunden, welches die Standfläche vergrößert und zudem als Trägerblech
für elektrische
Komponenten (nicht dargestellt) und Anschlussarmaturen (ebenfalls
nicht dargestellt) dienen kann.
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Selbstverständlich kann
die Beleuchtungseinheit als 1a, b
auch so gestaltet werden, dass sie einen größeren Winkel als den dargestellten
etwa 180°-Winkel
umschließt.
Die abgebildete Variante erlaubt jedoch die vollständige geleichmäßige Ausleuchtung
eines transparenten zylindrischen Reaktors, wenn ein zweites, etwa
gleich wie die dargestellte Beleuchtungseinheit aufgebautes Modul
eingesetzt wird. Der modulare Aufbau ermöglicht dann eine einfachere
Montage, einen leichteren Zugang zum Reaktor und, wenn die beiden
Module elektrisch unabhängig
ausgeführt
werden, eine höhere
Ausfallsicherheit.
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Die
in 2 dargestellte Beleuchtungseinrichtung ist zur
Anordnung im Inneren eines zylindrischen Reaktors vorgesehen. Die
offenen Ende zweier ineinander gestellter transparenter Rohre 16, 17, welche
aus Glas oder Kunststoff gefertigt sein können, werden mit einem ringförmigen Gehäusedeckel 18 und
einem ebenfalls ringförmigem
Gehäuseboden 13 dicht
verschlossen. Zur weiteren Vergleichmäßigung des Lichteintrags kann
das Material der Rohre 16, 17 auch oberflächenstrukturiert,
beispielsweise sandgestrahlt, sein.
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Die
Verbindung zwischen den Rohren 16, 17 und dem
Gehäusedeckel 18 bzw.
-boden 13 kann vorteilhafterweise als druck- und temperaturbeständige Klebung
ausgeführt
sein, um Autoklavierbarkeit zu gewährleisten.
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Die
zylindrisch gebogene, in einer Fassung 12 im Gehäuseboden 13 gehalterte
Leiterplatte 3 ist beidseitig mit SMD-Leuchtdioden 2 bestückt. Zur elektrischen
Ansteuerung von außerhalb
ist eine rohrförmige
Bodendurchführung 14 vorgesehen, durch
welche entsprechende Leitungen (nicht dargestellt) zum Anschließen der
Leiterplatte 3 laufen können.
Die Bodendurchführung 14 kann
auch zur Fixierung im Reaktorboden (nicht dargestellt) dienen. Für die Abdichtung
gegen den Reaktorboden weist die Bodendurchführung 14 eine O-Ring-Nut 15 auf.
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Der
Gehäuseinnenraum 1 kann
auch als Kühlmantel
dienen, dem über
die Bodendurchführung 14 eine
elektrisch nichtleitende Kühlflüssigkeit, wie
etwa Silikonöl,
zuführbar
ist.