DE29707043U1

DE29707043U1 - Photobioreaktor

Info

Publication number: DE29707043U1
Application number: DE29707043U
Authority: DE
Original assignee: Umweltschutz Nord & Co GmbH
Current assignee: Zech Umwelt GmbH
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2007-04-19

Description

Umweltschutz Nord GmbH & Co., Industriepark 6, D-27767 Ganderkesee

Photobioreaktor

Die Erfindung betrifft einen Photobioreaktor mit einem Trägergestell, mindestens einer am Trägergestell angeordneten umlaufenden, transparenten rohrförmigen Leitung, durch welche ein Fluid mit photosynthetisch aktiven Organismen zur Bestrahlung mit Licht geleitet wird, und einer Einrichtung zum Leiten von Licht auf das Rohr.

Aus der EP-O 239 272 B1 ist ein derartiger Photobioreaktor mit einem aufrecht stehenden, rotationssymmetrischen Trägergestell und einem auf dem Trägergestell außen aufgewickelten Rohr bekannt. Mittels der aufragenden Konstruktion wird eine Reduzierung der Aufstellfläche realisiert. Der bekannte Reaktor wird zur Biomasseproduktion, insbesondere verschiedener Algenarten, unter Lichteinwirkung eingesetzt. Zu diesem Zweck wird allgemein ein Synthesegemisch, welches lebendes Pflanzenmaterial zusammen mit essentiellen Nährstoffen für das Pflanzenwachstum enthält, durch einen Rohreinlaß in das Rohr des bekannten Photobioreaktors geleitet. Natürliches Licht fällt von außen auf das Rohr und regt das Pflanzenwachstum an. Die Rohrdimensionen sind derart gewählt, daß Turbulenzen im Synthesegemisch entstehen, die während der Bestrahlungsdauer für eine gleichmäßige Aussetzung der Pflanzen gegenüber dem Außenlicht

sorgen. Nach erfolgter Bestrahlung verläßt das fließende Material den Reaktor durch einen Rohrauslaß und die Biomasse wird von dem übrigen Synthesegemisch getrennt.

In der oben erwähnten Druckschrift sind verschiedene Einrichtungen zum Leiten von Licht beschrieben, mit denen die Lichtausbeute und damit die Biomasseproduktion erhöht werden soll. Beispielsweise sind die Außenflächen des Trägergestells lichtreflektierend ausgebildet, um Licht auf das Rohr zurückzuwerfen, welches zwischen übereinander liegenden Rohrwindungen hindurch auf diese Außenflächen auffällt. Zur Steigerung der Lichtversorgung der zum Reaktorinnenraum gerichteten Rohrwindungen wird in der bekannten Druckschrift weiterhin vorgeschlagen, entsprechend ausgerichtete Spiegel in der Nähe des oberen Bereiches des nach oben offenen Trägergestells anzuordnen.

Die in der genannten Druckschrift beschriebenen optischen Vorrichtungen basieren ausschließlich auf dem Phänomen der Lichtreflektion und erfordern zu ihrer Optimierung oft aufwendige Konstruktionen. Nachteilig ist insbesondere, daß die zum Reaktorinnenraum gerichteten Rohrwände trotz allem nur verhältnismäßig schlecht mit Licht versorgt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Photobioreaktor der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die Lichtausbeute mit einfachen optischen Mitteln weiter erhöht wird.

Diese Aufgabe wird bei dem Photobioreaktor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einrichtung zum Leiten von Licht eine Sammellinse oberhalb der rohrförmigen Leitung aufweist.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß mitteis der Sammellinse ein höherer und gleichmäßigerer Lichtauffail auf die zum Innenraum gerichteten Rohrabschnitte erreicht wird. Fällt direktes Sonnenlicht oder Streulicht von oben durch die vorzugsweise konvexe oder plan-konvexe Sammellinse ein, wird es in andere Raumbereiche abgelenkt. Insbesondere wird Licht, welches schräg auf die Linse fällt, in tiefer liegende Bereiche des Trägergestells gebrochen und erreicht somit untere Rohrwindungen an deren ins Innere des Photobioreaktors gerichteten Seiten, Dies ist besonders in geographischen Breiten mit relativ niedrigem Sonnenstand sowie außerhalb der Sommermonate von Bedeutung. In diesen Fällen

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würde ohne Sammellinse lediglich Streulicht in die unteren Abschnitte des Reaktorinnenraums gelangen.

Unter den hier verwendeten Begriff "rohrförmige Leitung" fallen alle Arten von Rohren und Schläuchen sowie ebenfalls rohrförmige Leitungen, die in der Wandung eines bevorzugt verwendeten Gehäuses integriert sind oder dessen Wandung bilden.

Bevorzugt ist die rohrförmige Leitung an der Außenseits des Trägergestells angeordnet, damit das Sonnenlicht direkt auf deren Außenseiten auftreffen kann. Um auch genügend Lichteinfall vom Reaktorinnenraum auf die rohrförmige Leitung zu gewährleisten, ist das Trägergestell vorteiihafterweise weitgehend lichtdurchlässig ausgebildet und kann zu diesem Zweck beispielsweise aus transparenten Kunststoffwänden oder aus einer offenen Konstuktion bestehen, wie z.B. einem Drahtgeflecht oder Stützträgern, an denen die rohrförmige Leitung befestigt wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die rohrförmige Leitung in mehreren übereinander angeordneten Windungen, vorzugsweise rotationssymmetrisch um eine zentrale Hochachse, gewickelt ist. Auf diese Weise ist die Aufstellung des Photobioreaktors richtungsunabhängig, und es kann eine optimale Winkelstellung der rohrförmigen Leitung gegenüber dem - sowohl von der Jahres- als auch der Tageszeit abhängigen - Sonnenstand realisiert werden.

Einer gleichmäßigen Verteilung des durch die Linse einfallenden Lichtes kommt es zugute, wenn die optische Achse der Sammellinse mit der Hochachse des Reaktors zusammenfällt. Bei gleichzeitiger symmetrischer Leitungswicklung ist in diesem Fall der Reaktor in beliebiger Orientierung um die Hochachse ohne aufwendige Ausrichtarbeiten, sei es der rohrförmigen Leitung oder der Linse, aufzustellen.

Die Leitungswindungen verlaufen besonders bevorzugt in Form eines sich nach oben verengenden Kegelstumpfes. Diese Form ist dem unterschiedlichen Höhenstand der Sonne über den Tag und über das Jahr angepaßt und ermöglicht somit im Vergleich zu einem etwa zylinderförmigen Trägergestell einen größeren Lichteintrag in die vom Fluid durchflossene Leitung. Weiterhin wird - bei gleichzeitiger enger Leitungswicklungsdichte - der Schattenwurf seitens von außen auffallenden Lichtes von oberen Leitungswindungen auf weiter unten gelegene reduziert.

Die Einrichtung zum Leiten von Licht kann auch einen im unteren Bereich des Photobioreaktors angeordneten Innenreflektor mit einer spiegelnden Oberfläche aufweisen, die vorteilhafterweise konvex ausgebildet und zur Sammellinse gerichtet ist. Der Innenreflektor kann anstelle oder zusätzlich zu der zuvor erwähnten Sammellinse vorgesehen werden und bildet demnach einen eigenen Aspekt der vorliegenden Erfindung. Von oben kommendes Licht, welches beispielsweise durch eine transparente Abdeckung des Reaktors oder durch eine Linse einfällt, wird mitteis des Innenreflektors auf die zum Innenraum gerichteten Rohrwände gespiegelt. Auch Licht, das - eine hinreichend lose Leitungswicklung und ein lichtdurchlässiges Trägergesteil vorausgesetzt - von außen durch die Rohrwindungszwischenräume in den Reaktorinnenraum gelangt, wird bei entsprechendem Auftreffen auf den Innenreflektor auf die rohrförmige Leitung zurückgeworfen.

Besonders bevorzugt ist der Innenraum des Photobioreaktors im wesentlichen gegenüber der Umgebung geschlossen. Zu diesem Zweck weist das Trägergestell entweder geschlossene Wände auf oder die übereinander angeordneten Leitungswindungen liegen dicht an dicht nebeneinander, während der Reaktor nach unten beispielsweise durch einen entsprechenden Sockel oder den Innenreflektor und nach oben durch eine Haube abgeschlossen ist, in welche die Sammellinse integriert ist. Auf diese Weise kann einerseits der Reaktorinnenraum klimatisiert werden, andererseits ist ein Witterungsschutz gegeben. Mittels der Haube werden beispielsweise Feuchtigkeit und Nässe vom Innenreflektor ferngehalten, so daß dieser nur selten gereinigt werden muß. Außerdem ist - gegebenenfalls mit Hilfe von entsprechenden Heizvorrichtungen - eine vorgebbare, weitgehend konstante Temperatur im Reaktorinnenraum einsteilbar. Somit kann eine für das Pflanzenwachstum vorteilhafte Temperatur bei weitgehender Unabhängigkeit von der Außentemperatur im Reaktorinnenraum erzielt werden.

Vorteilhafterweise wird zur künstlichen Bestrahlung eine im Innenraum des Photobioreaktors positionierbare künstliche Lichtquelle verwendet, deren Spektrum bevorzugt den Wellenlängenbereich maximaler Lichtabsoprtion seitens der Pflanzen abdeckt. Enthält das fließende Material beispielsweise Algen, wird bevorzugt eine Natrium-Dampflampe oder Pflanzenlicht-Leuchtstoffiampe verwendet. Fällt Licht von der künstlichen Lichtquelle auf den Innenreflektor, so wird dieses im überwiegendem Maße auf die rohrförmige Leitung gespiegelt.

Die transparente rohrförmige Leitung besteht vorteilhafterweise aus witterungsbeständigem und flexiblem Kunststoff, beispielsweise Polyethylen. Der Rohrdurchmesser und der vertikale Abstand der Windungen sind einer optimalen Lichtausbeute angepaßt. Zudem ist der Rohrinnendurchmesser zur Erzeugung geeigneter Turbulenzen - gegebenenfalls mit Hilfe von zusätzlich im Rohr angeordneten Verwirbelungsmitteln - im Synthesegemisch vorteilhafterweise so gewählt, daß eine hinreichende Durchmischung zum Zwecke einer gleichmäßigen Lichtbestrahlung realisiert wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Nachfolgend wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung anhand der beiliegenden Figur näher erläutert, welche einen Photobioreaktor im Längsschnitt zeigt. Der Photobioreaktor weist ein aufrecht auf einem Sockel 10 befestigtes kegelstumpfförmiges Trägergestell 8 mit einem auf dessen Außenseite aufgewickelten, transparenten und flexiblen Rohr 16 auf. Alternativ kann auch ein transparenter Schlauch verwendet werden. Das Trägergestell 8 weist geschlossene Wände auf und ist aus transparentem Kunststoff hergestellt. Auf das freie Ende des Rohres 16 im unteren Bereich des Trägergestells 8 ist ein Rohreinlaß 17 angesetzt, durch welchen das zu bestrahlende fluide Material in das Rohr 16 gepumpt wird. Das andere Ende des Rohres 1 6 im oberen Bereich des Reaktors weist einen Rohrauslaß 18 auf, durch den das fließende Material am Ende des Bestrahlungsvorgangs den Reaktor verläßt. Alternativ kann das Fluid das Rohr 16 auch von oben nach unten durchlaufen.

Im Innenraum 4 des Reaktors ist im Bereich seiner Hochachse eine in der Höhe verschieblich positionierbare Lichtquelle 19 angeordnet, die beispielsweise von einer Natrium-Dampf lampe mit einem optimierten Lichtspektrum oder einer Pf lanzenlichtleuchtstoff lampe gebildet ist. Die Lichtquelle 19 wird zur kontinuierlichen Biomasseproduktion vorzugsweise nachts eingeschaltet, wenn die Photosyntheseaktivität wegen des fehlenden Tageslichts gering ist. Selbstverständlich ist eine durchgängige Benutzung der Lichtquelle 19 zur Unterstützung der vom Sonnenlicht angeregten Photosynthese ebenfalls möglich.

Oberhalb der obersten Rohrwindung ist mittig eine nach oben gewölbte plankonvexe Lichtsammellinse 14 angeordnet. Die Lichtsammellinse 14 ist als Haube ausgebildet, welche den Reaktor nach oben verschließt. Zusammen mit den

geschlossenen Wänden des Trägergestells 8 schützt die Haube einerseits den Reaktorinnenraum 4 bei ungünstigen Witterungen, andererseits verhindert sie zu große Temperaturschwankungen innerhalb des Reaktors.

Im Sockel 10 des Photobioreaktors ist ein mit der Spiegelfläche nach oben gerichteter, konkaver Innenreflektor 12 eingefaßt, der sich im wesentlichen über die Grundfläche des Reaktors erstreckt und zur Erhöhung der Lichtausbeute Sonnenlicht und/oder künstliches Licht auf das Rohr 16 wirft. Die optische Achse 15 der Sammellinse 14 und diejenige des Innenreflektors fallen zusammen.

Der Sockel 10 kann {in der Zeichnung nicht näher dargestellte) Lüftungsschlitze zur Klimatisierung des Innenraumes 4 aufweisen, die in Abhängigkeit von der Temperatur des durch das Rohr 16 fließende Material manuell oder automatisch geöffnet und geschlossen werden können.

Der erfindungsgemäße Photobioreaktor wird vorteilhafterweise zur lichtinduzierten Nährstoffaufnahme, insbesondere von Stickstoff- und Phosphorverbindungen, durch dafür geeignete pflanzliche Organismen, wie beispielsweise bestimmte Algenarten, eingesetzt. Hierzu wird z.B. algen- und nährstoffreiches Wasser eines Gewässers in das Reaktorrohr 16 geleitet und der Bestrahlung mit natürlichem und/oder künstlichem Licht ausgesetzt. Die Algen bauen daraufhin die Nährstoffe ein und werden nach dem Ausleiten aus dem Reaktor vom Wasser abgetrennt. Die nährstoffangereicherten Algen sind beispielsweise zur Schwermetallsorption einsetzbar, während das nährstoff- und algenreduzierte Wasser in das Gewässer zurückgeleitet wird.

Claims

"7 &diams; · * Ansprüche

1. Photobioreaktor mit
einem Trägergestell (8),

mindestens einer am Trägergestell (8) angeordneten umlaufenden, transparenten rohrförmigen Leitung (16), durch welche ein Fluid mit photosynthetisch aktiven Organismen zur Bestrahlung mit Licht geleitet wird, und
einer Einrichtung zum Leiten von Licht auf das Rohr,
dadurch gekennzeichnet, daß

die Einrichtung zum Leiten von Licht eine Sammellinse (14) oberhalb der rohrförmigen Leitung (16) aufweist.

2. Photobioreaktor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergestell (8) weitgehend lichtdurchlässig ausgebildet ist und daß die rohrförmige Leitung (16) außen um das Trägergestel! (8) herum angeordnet ist.

3. Photobioreaktor nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Leitung (16) in mehreren übereinander liegenden Windungen, vorzugsweise rotationssymmetrisch um eine zentrale Hochachse, gewickelt ist.

4. Photobioreaktor nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse (15) der Sammellinse (14) mit der Hochachse zusammmenfäilt.

5. Photobioreaktor nach Anspruch 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungswindungen nach oben kegelstumpfartig zulaufen.

6. Photobioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Leiten von Licht einen im unteren Bereich des Photobioreaktors angeordneten Innenrefiektor (12) mit einer spiegelnden Oberfläche aufweist, welche der Sammellinse (14) gegenüber Hegt und Licht auf die rohrförmige Leitung (16) spiegelt.

7. Photobioreaktor nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die spiegelnde Oberfläche konkav ausgebildet ist.

8. Photobioreaktor nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (4) des Photobioreaktors im wesentlichen gegenüber der Umgebung geschlossen ist.

9. Photobioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinse (14) als Haube ausgebildet ist, welche den Photobioreaktor nach oben abschließt.

10. Photobioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß eine künstliche Lichtquelle (19) innerhalb des Photobioreaktors angeordnet ist.

11. Photobioreaktor nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß die künstliche Lichtquelle (19) zumindest in vertikaler Richtung verschieblich positionierbar ist.