EP2155853A2 - Anordnung und verfahren zur dreidimensionalen verteilung von licht in einem flüssigen medium - Google Patents

Anordnung und verfahren zur dreidimensionalen verteilung von licht in einem flüssigen medium

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EP2155853A2
EP2155853A2 EP08758393A EP08758393A EP2155853A2 EP 2155853 A2 EP2155853 A2 EP 2155853A2 EP 08758393 A EP08758393 A EP 08758393A EP 08758393 A EP08758393 A EP 08758393A EP 2155853 A2 EP2155853 A2 EP 2155853A2
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EP
European Patent Office
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medium
light
fibers
gas
arrangement according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08758393A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hilmar Franke
Christian Schneider
Armed Wagner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet Duisburg Essen
Original Assignee
Universitaet Duisburg Essen
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Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Duisburg Essen filed Critical Universitaet Duisburg Essen
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0005—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type
    • G02B6/0008—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type the light being emitted at the end of the fibre
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    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
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    • C12M31/00—Means for providing, directing, scattering or concentrating light
    • C12M31/02—Means for providing, directing, scattering or concentrating light located outside the reactor
    • C12M31/04—Mirrors
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    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M31/00—Means for providing, directing, scattering or concentrating light
    • C12M31/08—Means for providing, directing, scattering or concentrating light by conducting or reflecting elements located inside the reactor or in its structure
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement and a method for the three-dimensional distribution of light in a liquid medium, such as an algal suspension, and / or for the production of biomass and a use of such an arrangement or method for the conversion of carbon dioxide into biomass.
  • the present invention is particularly concerned with mimicking photosynthesis for binding carbon dioxide. It is known to illuminate an algae suspension for this purpose in order to stimulate the growth of the algae.
  • the algae consume carbon dioxide for growth and biomass production.
  • the algal suspension can be circulated very strongly and / or the surface of the algae suspension can be made as large as possible. However, this can be plant and / or procedural or energy consuming.
  • the present invention is based on the object, an arrangement and a method for the three-dimensional distribution of light in a liquid medium, such as an algal suspension, and / or for the production of biomass and a use of such an arrangement or such a method for the conversion of carbon dioxide in Indicate biomass, wherein a simple structure, a simple, cost-effective and / or energy-saving process flow and / or high efficiency is or will be possible.
  • 8BBTATtQUNQSKOPfE A basic idea of the present invention is to use photoconductive fibers for the supply of light. This fiber concept leads in particular to two advantages.
  • the transport of light to the liquid medium can take place over long lengths, for example of a few 100 m. It is thus possible, for example, to use light collectors or collectors, such as collector mirrors, for the concentration of sunlight in order to collect and supply larger amounts of light to the liquid medium.
  • the fibers permit a three-dimensional illumination of the liquid medium, ie a three-dimensional distribution of the light in the liquid medium.
  • the light is thus distributed in different areas of space, in particular depths, within the medium.
  • the three-dimensional distribution of the light or illumination of the medium thus takes place in contrast to the hitherto customary at least substantially two-dimensional illumination from a surface or side actually three-dimensionally and thus with much improved distribution and effectiveness.
  • the fibers terminate in different spatial regions, in particular in depths, preferably vertically offset, in the liquid medium.
  • a particular tree-like or optimal distribution of the light in the liquid medium in a desired spatial illumination range can be achieved.
  • a further embodiment variant which can also be implemented alternatively or independently, provides that the light is distributed in three dimensions in the liquid medium by means of gas bubbles.
  • the supply of the gas and the light takes place preferably at the same time via hollow fibers.
  • a proposed use of the arrangement or the method are characterized in that a liquid medium with algae, such as an algal suspension, is used, wherein light in the medium three-dimensional and wherein carbon dioxide is introduced in the form of gas bubbles in the medium to stimulate the growth and / or proliferation of algae and thereby form biomass.
  • a liquid medium with algae such as an algal suspension
  • Fig. 1 is a schematic representation of a proposed arrangement according to a first embodiment
  • Fig. 2 is a schematic representation of a proposed arrangement according to a second embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic, not to scale, section of a light-conducting fiber of the arrangement according to FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a schematic, not to scale, section of another light-conducting fiber of the arrangement according to FIG. 2;
  • Fig. 5 is a schematic representation of a proposed arrangement according to a third embodiment.
  • Fig. 1 shows a schematic, not to scale representation of a proposed arrangement 1 according to a first embodiment.
  • the arrangement 1 serves the three-dimensional distribution of light 2 (schematically in Fig. 1 indicated) in a liquid medium. 3
  • the medium 3 is in particular a suspension or the like. Accordingly, the term "liquid” is to be understood in a broad sense to understand, so that in particular suspensions, dispersions or other mixtures or substances are included with liquid phases or proportions.
  • the medium 3 is preferably photoactive and / or biologically active.
  • a reaction that requires photosynthesis or another light 2 may take place in the medium 3.
  • the medium 3 contains for this purpose a biologically active species, in particular algae, other bacteria or the like.
  • the medium 3 is aqueous or contains water and / or strong light-scattering.
  • an algal suspension is particularly preferably used as medium 3.
  • the medium 3 contains an algae mixture culture, which preferably occurs at least in similar form in rivers, ponds or the like. Such mixed cultures are namely particularly resistant to environmental influences, diseases and / or other disorders.
  • the arrangement 1 is preferably used with algae or with an algae suspension as the medium 3, the following description is primarily focused on the algae growth induced by the induced light 2. However, these statements apply accordingly to other species or photo- or bioactive media 3.
  • the arrangement 1 has light-conducting fibers 4 for the supply of the light 2.
  • the fibers 4 terminate in different spatial regions, in particular at least partially in different depths and / or vertical planes, in the medium 3. This permits a three-dimensional distribution of the light 2 in the medium 3, as shown in FIG. playfully, only schematically indicated.
  • the fibers 4 Starting from a bundle (main bundle) 5 of fibers 4, branching or branching into individual bundles 6 and / or individual fibers 4 takes place, as exemplified in FIG. 1.
  • the fibers 4 preferably terminate individually, ie separately in the medium 3.
  • several fibers 4 may end together in the medium 3, for example as individual bundles 5.
  • the light emerges at least substantially or exclusively at the end of the respective fiber 4 and illuminates the medium 3 in the respective spatial region, as indicated by dashes in FIG. 1.
  • the fibers 4 can also emit more or less light laterally along the respective fiber 4. Even so, an optimized three-dimensional distribution of light 2 in the medium 3 can take place. With appropriate design of the fibers 4, it is even possible that at least substantially the total light is already emitted laterally over the running in the medium 3 lengths of the respective fiber 4 and optionally only a relatively small proportion at the end of the respective fiber 4 in the medium third is emitted. In this case, the fibers 4 preferably extend substantially over longer distances parallel to each other or, for example, coiled or meandering through the medium 3 and may possibly even all end in a plane or depth in the medium 3.
  • the light exit surfaces - especially the ends - of the fibers 4 are not colonized by the algae. Accordingly, excessive purification or algae exemption is not required. Rather, it results in a self-organizing system that uses as efficiently as possible the introduced light 2 for algae growth.
  • the fibers 4 can dive loosely into the medium 3 or hang into it, optionally also as a bundle 5 or 6, which then branch in particular.
  • the arrangement 1 in particular lattice- or rod-like mounts 7 in the medium 3, which are arranged in particular in different planes or depths to hold the fibers 4 or bundles 5, 6 or lead.
  • the holders 7 form intermediate bottoms in a container or tank 8 with the medium 3 in order to allow the fibers 4 or bundles 5 or 6 to end in different spatial regions within the medium 3.
  • the fibers 4 or bundles 5, 6 can be movable at least in the end regions in the medium 3, in particular by a flow of the medium 3.
  • the supply or introduction of the fibers 4 or bundle 5/6 is preferably carried out from above, in the embodiment by an upper bracket or cover 9 or the like.
  • the fibers 4 or bundles 5/6 preferably extend at least substantially vertically from top to bottom in the medium 3. This is particularly advantageous when the density of the fibers 4 is greater than the density of the medium 3, that is not float.
  • the fibers 4 or bundles 5/6 may extend from the bottom to the top into the medium 3 and / or in another way-for example transversely-into the medium 3 or at least in sections thereof.
  • the fibers 4 are preferably made of plastic, glass or other material suitable for light conduction or structure. In particular, it is also possible to use composite materials or composite structures, for example with laminations. Alternatively, ie independently, or in addition to the three-dimensional distribution of the light 2 in the medium 3 through the fibers 4, the fibers 4 or bundles 5/6 permit an optimized supply of the light 2.
  • sunlight is preferably used for illuminating the medium 3 or the algae, even if basically any other light can be used.
  • the term "light” is preferably to be understood in a broad sense that not only visible light but, for example, alternatively or additionally also infrared light and / or ultraviolet light according to the medium 3 can be supplied.
  • the energy supply via the fibers 4 of the medium 3 can also serve purposes other than the photosynthesis and / or stimulation of the biological growth and / or the conversion of carbon dioxide into biomass provided in the illustration example.
  • the arrangement 1 preferably has a Lichtsammei dressed, in particular a collector mirror 10, for collecting sunlight, as shown schematically in Fig. 1.
  • the collected sunlight or other light from another illumination device can then be passed through the fibers 4 or in particular a bundle 5 or 6 to the container or tank 8 with the medium 3, in particular with very low losses.
  • leads of several 100 m are possible. This is very advantageous, especially in the case of a large amount of light, since correspondingly large areas, light collecting devices or the like are required and / or corresponding structural conditions must and / or can be taken into account.
  • the arrangement 1 preferably has a device 1 1 for the introduction of gas, which contains in particular carbon dioxide or consists thereof.
  • gas which contains in particular carbon dioxide or consists thereof.
  • gas for example, flue gas, sewage gas, biogas, air or the like can be initiated.
  • the device 11 has in particular a bottom, a sieve 12 or another suitable introduction means, to introduce or dispense the gas, in particular in the form of gas bubbles 13 in the medium 3, as indicated schematically in Fig. 1.
  • the gas supply or -ein takes place in particular at the bottom and / or at a certain depth, preferably of at least 5 to 6 m, to allow a good exchange of gas or a good supply of the medium 3 and thus the algae with the gas.
  • the gas above the medium 3 - in the horrin- game for example, above the cover 9 or within the container or tank 8 sucked and fed back through the device 11, so recirculated to a particularly good utilization or a particularly good degradation of Gas, in particular of carbon dioxide to achieve.
  • the fibers 4 or bundles 5, 6 in particular branch out in a tree-like manner in order to distribute the light 2 in different spatial regions within the medium 3-ie three-dimensionally-in the medium 3.
  • the light is introduced via gas bubbles 13 and, in particular, is distributed three-dimensionally in the medium 3.
  • the introduction or generation of the gas bubbles 13 is preferably via hollow fibers 4, but can also be done in other ways.
  • the fibers 4 for supplying the light 2 are preferably at least partially and / or partially hollow in order to be able to supply not only the light 2 but also the gas at the same time.
  • the gas bubbles 13 form.
  • the gas bubbles 13 preferably initially have a size of essentially 1 to 10 .mu.m, in particular 2 to 5 .mu.m. At this size, the gas bubbles 13 form particularly suitable sound boxes for the light to be picked up.
  • the hollow fibers 4 simultaneously emit the light at their ends in the areas where the gas bubbles 13 are formed.
  • the gas bubbles 13 can be quasi "filled” with light 2.
  • a kind of fog or cloud of glowing gas bubbles 13 is generated.
  • the glowing gas bubbles 13 - by way of example, a luminous gas bubble 13 is shown in an enlarged detail in FIG. 2 - migrate upwards through the medium 3.
  • the gas bubbles 13 tend to be larger due to the decreasing fluid pressure.
  • the gas can dissolve in the medium 3 or be absorbed by the algae or the like, so that the gas bubbles 13 accordingly tend to be smaller. If necessary, these two effects can be compensated for, so that the size of the gas bubbles 13 remains at least largely the same.
  • the introduction of the gas preferably takes place at a depth of about 3 to 50 m, preferably 5 to 10 m, into the medium 3.
  • the introduction of the gas is again, as in the first embodiment, preferably on the bottom side or from below.
  • a sieve 12 or the like can be used for the formation of the gas bubbles 13 or manipulation of the sizes of the gas bubbles 13, if necessary.
  • the desired gas bubble size can be very easily influenced by appropriate selection of the inner diameter of the hollow fibers 4.
  • 3 and 4 show by way of example two possible, different cross-sections of the hollow fibers 4, each in a schematic, not to scale representation.
  • FIG. 3 is a so-called band-gap fiber.
  • the gas is preferably carried out exclusively via the inner or central channel 14, but if necessary also via the other peripheral hollow channels 15 of this fiber 4.
  • the light pipe is then only in the mantle of the fiber 4th
  • the light pipe can be made via the peripheral hollow channels 15.
  • the inner diameter I of the hollow fibers 4 or central channels 14 is preferably at most 10 .mu.m, in particular substantially 5 to 9 .mu.m.
  • the arrangement 1 or device 11 preferably has a feed device 16, in particular with a housing under gas pressure, in order to introduce the gas into the hollow fibers 4 and to couple the light 2 into the fibers 4.
  • the gas is supplied, for example via a pump 17 or the like, and in particular enters the front side into the channels 14 and 15 a.
  • the light 2 becomes, for example, via light-conducting fibers 4 or a fiber bundle 6 or the like - in turn, in turn, from a light collecting device, such as the collector mirror 10-or-V-on-another EB lighting device, which is only schematically indicated in FIG - added or forwarded.
  • Fig. 2 shows the coupling only very schematically.
  • the light is introduced on the front side into the beginnings of the hollow fibers 4.
  • the container or tank 8 or the medium 3 is preferably associated with a circulation device, such as a circulation pump 18, an agitator or the like.
  • a circulation device such as a circulation pump 18, an agitator or the like.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a third embodiment of the proposed arrangement 1 or device 11.
  • the production and introduction of the gas bubbles 13 preferably via a grid, a screen 12 a hole bottom or the like.
  • it may also be an intermediate floor act.
  • the light coupling into the gas bubbles 13 takes place in that the gas is passed through small holes or channels in an optically transparent or light-conducting material and forms the gas bubbles 13 at the exit and receives light 2.
  • the sieve 12 or the perforated bottom of a plate, and / or transparent material is preferably made of plastic, in particular with a thickness of about 3 to 10 mm.
  • the plate preferably has a plurality of small holes with a diameter of at most 50 microns.
  • the gas enters the medium 3 through these holes.
  • the illumination preferably takes place through the transparent plate material and / or on the gas side.
  • Over the length of the holes or holes - ie over the thickness of the plate - quasi "hollow optical waveguide" are formed with the flowing gas as the interior and the bottom plate as an optical sheath.
  • the resulting gas bubbles 13 can optically couple to the light field or light 2 and vice versa so the light 2 can be absorbed by the gas bubbles 13.
  • the light 2 can also be coupled in any other way, in particular possibly also laterally, into the optically translucent or transparent plate with the holes through which the gas is introduced into the medium 3 to form the gas bubbles 13 become.
  • pipes or other protrusions, extensions or the like for example with a length of about 1 to 2 m, can be additionally attached or projected upwards or projecting or connected in some places of the floor, in which fiber optic cables are routed.
  • the end face of these tubes can then be formed, for example, with a hole construction or a structure such as the base plate.
  • the gassing and exposure of the reactor volume or the medium 3 can be made uniform.
  • a plurality of intermediate floors which are formed according to the second or third embodiment and are arranged or offset, for example, at different heights or depths, can be used.
  • much smaller gas bubbles 13 are formed.
  • the initial diameter of the gas bubbles 13 is for example 0, 1 to 10 microns, preferably less than 1 micron, in particular substantially 0.2 to 0.6 microns.
  • Such small gas bubbles 13 can be made in particular by introduction in a corresponding depth, for example about 50 m or more, in the medium 3.
  • the medium 3 can also be pressurized.
  • the introduction of the gas takes place at a pressure of the medium 3 of about 50 to 800 kPa. More preferably, the pressure of the medium 3 at which the gas is introduced is at least about 500 kPa and more to form very small gas bubbles 13. Due to the small size of the gas bubbles 13, it is possible to stimulate them by direct exposure to light, in particular sunlight, to resonance absorption, so that the light is transported when ascending the gas bubbles 13 into the interior of the reactor or up through the medium 3. The exposure of the gas bubbles 13 can in particular be effected again via optical fibers 4 and / or in any other way.
  • gas bubbles 13 can form resonators for the incident light 2.
  • the resonance frequencies depend on the diameter of the gas bubbles 13.
  • gas bubbles 13 with different diameters, in particular with a diameter spectrum covering the supplied light spectrum, are preferably produced.
  • the photosynthesis can be imitated by means of a technical device, namely from carbon dioxide and water under the action of light biomass or CH 2 O-containing compounds and oxygen to produce.
  • a technical device namely from carbon dioxide and water under the action of light biomass or CH 2 O-containing compounds and oxygen to produce.
  • the proposed arrangement 1 can also work or be referred to as a bioreactor, in particular as a fiber-optic photo-bioreactor.
  • sunlight is used, which is collected in particular by means of concentrators, collector mirrors 10 or the like and fed to the medium 3 and in particular is introduced into this, as already explained with reference to the two embodiments.
  • the sunlight may also be collected through a network of fluorescent fibers.
  • the concentrated sunlight or other light is preferably in opti see optical fibers - in the present invention referred to as 4 - fed - and in particular in the form of a bundle 5/6 the bioreactor, in this case the container or tank 8 with the medium 3, fed ,
  • the algal suspension in the entire reactor volume, ie in the entire container 8 be illuminated by means of fiber technology.
  • the fibers 4 in different Spaces in the container 8 ends or branch are connected to the first embodiment.
  • the spatial distribution of the light 2 in the medium 3 can also be effected by means of gas bubbles 13, in particular by a mist of luminous bubbles, as explained with reference to the second embodiment.
  • optical fibers have a twofold meaning in the present invention.
  • the individual effects can also be used independently or exploited.
  • the fibers 2 provide effective light transport over long lengths.
  • the optical fibers 4 serve to illuminate a three-dimensional volume in the container 4. This is done by the preferably tree-like branching and / or by means of the gas bubbles 13.
  • the described invention is intended to help solve the carbon dioxide problem.
  • the proposed arrangement 1 and the proposed method for the degradation of carbon dioxide from the flue gas of fossil power plants are suitable.
  • the flue gas can optionally be simply blown from below into the container 8, as indicated in the two embodiments.
  • Another advantage of the present invention is that not only can carbon dioxide be degraded, but that the biomass produced can also be used as a raw material for fuel, bioethanol, biodiesel or the like.
  • the strong scattering of the medium 3 supports an at least largely uniform or complete illumination of the medium 3 or of the container 8.
  • the IR fraction is separated from the sunlight, and can be used, for example, for other purposes, in particular for drying the biomass produced, such as algae, or the like.
  • a lateral emission can also take place. This can be achieved in particular by correspondingly large curvature of the fibers 4. If necessary, the fibers 4 can accordingly also be strongly curved, in particular coiled, guided or run in the medium 3.
  • a liquid medium such as an algal suspension
  • Light especially sunlight
  • the light is conducted by means of optical fibers in a container with the medium.
  • the light is distributed three-dimensionally in the container.
  • the fibers end in different spatial areas within the container.
  • the light is introduced via the bubbles, wherein the gas is supplied in particular via hollow optical fibers.

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Abstract

Es werden eine Anordnung und ein Verfahren zur dreidimensionalen Verteilung von Licht in einem flüssigen Medium, wie einer Algensuspension, und/oder zur Erzeugung von Biomasse vorgeschlagen. Licht, insbesondere Sonnenlicht, wird mittels Lichtleitfasern in einen Behälter mit dem Medium geleitet. Das Licht wird dreidimensional im Behälter verteilt. Hierzu enden die Fasern in verschiedenen Raumbereichen innerhalb des Behälters. Alternativ oder zusätzlich wird das Licht über Gasblasen eingeleitet, wobei das Gas insbesondere über hohle Lichtleitfasern zugeführt wird.

Description

Anordnung und Verfahren zur dreidimensionalen Verteilung von Licht in einem flüssigen Medium
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur dreidimensionalen Verteilung von Licht in einem flüssigen Medium, wie einer Algensuspension, und/oder zur Erzeugung von Biomasse sowie eine Verwendung einer derartigen Anordnung oder eines derartigen Verfahrens zur Verwandlung von Kohlendioxid in Biomasse.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich insbesondere mit der Nachahmung der Photosynthese zur Bindung von Kohlendioxid. Es ist bekannt, hierzu eine Algensuspension zu beleuchten, um das Wachstum der Algen anzuregen. Die Algen verbrauchen Kohlendioxid zum Wachstum und zur Bildung von Biomasse. Um möglichst alle Algen in der Algensuspension mit Licht und Koh- lendioxid zu versorgen, kann die Algensuspension sehr stark umgewälzt und/oder die Oberfläche der Algensuspension möglichst groß gestaltet werden. Dies kann jedoch anlagenmäßig und/oder verfahrenstechnisch bzw. energetisch aufwendig sein.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur dreidimensionalen Verteilung von Licht in einem flüssigen Medium, wie einer Algensuspension, und/oder zur Erzeugung von Biomasse sowie eine Verwendung einer derartigen Anordnung bzw. eines derartigen Verfahrens zur Verwandlung von Kohlendioxid in Biomasse anzugeben, wo- bei ein einfacher Aufbau, ein einfacher, kostengünstiger und/oder energiesparender Verfahrensablauf und/oder eine hohe Effektivität ermöglicht wird bzw. werden.
Die obige Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 15, durch ein Verfahren gemäß Anspruch 20 oder 39 oder durch eine Verwendung gemäß Anspruch 40 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegen- ~stän~d~der~Unteransprüche: —
8BBTATtQUNQSKOPfE Eine grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung liegt darin, lichtleitende Fasern zur Zuleitung des Lichts zu verwenden. Dieses Faserkonzept führt insbesondere zu zwei Vorteilen.
Der Transport von Licht zu dem flüssigen Medium kann über größere Längen, beispielsweise von einigen 100 m, erfolgen. So ist es beispielsweise möglich, Lichtkollektoren oder -sammler, wie Kollektorspiegel, zur Konzentration von Sonnenlicht einzusetzen, um größere Mengen von Licht zu sammeln und dem flüssigen Medium zuzuleiten.
Weiter gestatten die Fasern eine dreidimensionale Beleuchtung des flüssigen Mediums, also eine dreidimensionale Verteilung des Lichts in dem flüssigen Medium. Das Licht wird also in verschiedene Raumbereiche, insbesondere Tiefen, innerhalb des Mediums verteilt.
Die dreidimensionale Verteilung des Lichts bzw. Beleuchtung des Mediums erfolgt also im Gegensatz zu der bisher üblichen zumindest im wesentlichen zweidimensionalen Beleuchtung von einer Oberfläche oder Seite her nun tatsächlich dreidimensional und damit mit wesentlich verbesserter Verteilung und Effektivität.
Zur dreidimensionalen Verteilung des Lichts ist gemäß einer Ausführungsvariante vorgesehen, daß die Fasern in verschiedenen Raumbereichen, insbesondere Tiefen, vorzugsweise vertikal versetzt, in dem flüssigen Medium enden. So kann eine insbesondere baumartige bzw. optimale Verteilung des Lichts in dem flüssigen Medium in einem gewünschten räumlichen Beleuchtungsbereich erreicht werden.
Eine weitere, auch alternativ oder unabhängig realisiserbare Ausführungsvari- ante sieht vor, daß das Licht mittels Gasblasen in dem flüssigen Medium dreidimensional verteilt wird. Die Zuführung des Gases und des Lichts erfolgt -vorzugsw.eise,gleichzeitig über Hohlfasern.
Eine vorschlagsgemäße Verwendung der Anordnung bzw. des Verfahrens zeichnen sich dadurch aus, daß ein flüssiges Medium mit Algen, wie eine Algensuspension, verwendet wird, wobei Licht in dem Medium dreidimensional verteilt wird und wobei Kohlendioxid in Form von Gasblasen in das Medium eingeleitet wird, um das Wachstum und/oder die Vermehrung der Algen anzuregen und dadurch Biomasse zu bilden. So kann eine sehr effektive Bildung von Biomasse und/oder Bindung von Kohlendioxid erfolgen.
Weitere Aspekte, Vorteile und Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer vorschlagsgemäßen Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer vorschlagsgemäßen Anordnung gemäß einer zweiten Aus führungs form;
Fig. 3 einen schematischen, nicht maßstabsgerechten Schnitt einer lichtleitenden Faser der Anordnung gemäß Fig. 2;
Fig. 4 einen schematischen, nicht maßstabsgerechten Schnitt einer an- deren lichtleitenden Faser der Anordnung gemäß Fig. 2; und
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer vorschlagsgemäßen Anordnung gemäß einer dritten Ausführungsform.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Komponenten, Bauteile und dgl. die gleichen Bezugszeichen verwenden. Insbesondere ergeben sich entsprechende oder vergleichbare Vorteile, auch wenn eine wiederholte Beschreibung weggelassen ist.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen, nicht maßstabsgerechten Darstellung eine vorschlagsgemäße Anordnung 1 gemäß einer ersten Aus führungs form. Die Anordnung 1 dient der dreidimensionalen Verteilung von Licht 2 (schema- tisch in Fig. 1 angedeutet) in einem flüssigen Medium 3.
Bei dem Medium 3 handelt es sich insbesondere um eine Suspension oder dergleichen. Dementsprechend ist der Begriff "flüssig" in einem weiten Sinne zu zu verstehen, so daß insbesondere Suspensionen, Dispersionen oder sonstige Gemische oder Stoffe mit flüssigen Phasen oder Anteilen umfaßt sind.
Das Medium 3 ist vorzugsweise photoaktiv und/oder biologisch aktiv. Insbe- sondere kann in dem Medium 3 eine Photosynthese oder eine sonstige Licht 2 benötigende Reaktion ablaufen. Insbesondere enthält das Medium 3 hierzu eine biologisch aktive Spezies, insbesondere Algen, sonstige Bakterien oder dergleichen.
Insbesondere ist das Medium 3 wäßrig bzw. enthält Wasser und/oder stark lichtbestreuend.
Besonders bevorzugt wird eine Algensuspension als Medium 3 eingesetzt. Insbesondere enthält das Medium 3 eine Algenmischkultur, die vorzugsweise zumindest in ähnlicher Form in Flüssen, Teichen oder dergleichen vorkommt. Derartige Mischkulturen sind nämlich besonders resistent gegen Umwelteinflüsse, Krankheiten und/oder sonstige Störungen.
Da die Anordnung 1 vorzugsweise mit Algen bzw. mit einer Algensuspension als Medium 3 eingesetzt wird, wird der folgenden Beschreibung primär auf das durch das eingeleitete Licht 2 induzierte Algenwachstum abgestellt. Jedoch gelten diese Ausführungen entsprechend auch für sonstige Spezies oder photo- bzw. bioaktive Medien 3.
Die Anordnung 1 weist lichtleitende Fasern 4 zur Zuleitung des Lichts 2 auf. Bei der ersten Ausführungsform enden mehrere oder alle Fasern 4 in verschiedenen Raumbereichen, insbesondere zumindest teilweise in unterschiedlichen Tiefen und/oder Vertikalebenen, in dem Medium 3. Dies gestattet eine dreidimensionale Verteilung des Lichts 2 in dem Medium 3, wie in Fig. 1 bei- spielhaft, nur schematisch angedeutet.
^V!orzugsw-eise-SÜκLdie_Easern_4_flexibel. Jedoch können grundsätzlich auch starre lichtleitende Stäbe - zumindest abschnittsweise und/oder am Austrittsende ins Medium 3 - eingesetzt werden. Besonders bevorzugt enden die Fasern 4 in verschiedenen Ebenen innerhalb des Mediums 3. Jedoch können die Fasern 4 auch alle unterschiedlich oder unregelmäßig enden.
Ausgehend von einem Bündel (Hauptbündel) 5 von Fasern 4 erfolgt insbesondere eine Verzweigung oder Verästelung in Einzelbündel 6 und/oder Einzelfasern 4, wie in Fig. 1 beispielhaft angedeutet. Um eine optimale Verteilung des Lichts 2 in dem Medium 3 zu erreichen, enden die Fasern 4 vorzugsweise einzeln, also separat voneinander in dem Medium 3. Jedoch können auch mehre- re Fasern 4 zusammen, beispielsweise als Einzelbündel 5, in dem Medium 3 enden.
Das Licht tritt zumindest im wesentlichen oder ausschließlich am Ende der jeweiligen Faser 4 aus und beleuchtet das Medium 3 im jeweiligen Raumbe- reich, wie durch Striche in Fig. 1 angedeutet.
Je nach Biegung bzw. Krümmung, Material, Oberfläche, Oberflächenaufrau- hung oder dergleichen können die Fasern 4 auch mehr oder weniger Licht seitlich entlang der jeweiligen Faser 4 abgeben. Auch so kann eine optimierte dreidimensionale Verteilung von Licht 2 in dem Medium 3 erfolgen. Bei entsprechender Ausgestaltung der Fasern 4 ist es sogar möglich, daß zumindest im wesentlichen das Gesamtlicht bereits über die im Medium 3 verlaufenden Längen der jeweiligen Faser 4 seitlich abgegeben wird und gegebenenfalls nur noch ein verhältnismäßig geringer Anteil am Ende der jeweiligen Faser 4 in das Medium 3 abgestrahlt wird. In diesem Fall verlaufen die Fasern 4 vorzugsweise im wesentlichen über längere Strecken parallel zueinander oder beispielsweise gewendelt oder mäanderförmig durch das Medium 3 und können gegebenenfalls sogar alle in einer Ebene oder Tiefe in dem Medium 3 enden.
Versuche haben gezeigt, daß die Lichtaustrittsflächen - insbesondere also die Enden - der Fasern 4 von den Algen nicht besiedelt werden. Dementsprechend ist keine übermäßige Reinigung oder Befreiung von Algen erforderlich. Vielmehr ergibt sich ein selbstorganisierendes System, das möglichst effizient das eingeleitete Licht 2 zum Algenwachstum ausnutzt. Die Fasern 4 können lose in das Medium 3 eintauchen bzw. in dieses hineinhängen, gegebenenfalls auch als Bündel 5 oder 6, die sich dann insbesondere verzweigen.
Vorzugsweise weist die Anordnung 1 insbesondere gitter- oder stangenartige Halterungen 7 in dem Medium 3 auf, die insbesondere in verschiedenen Ebenen oder Tiefen angeordnet sind, um die Fasern 4 bzw. Bündel 5, 6 zu halten oder zu führen.
Besonders bevorzugt bilden die Halterungen 7 Zwischenböden in einem Behälter oder Tank 8 mit dem Medium 3, um die Fasern 4 oder Bündel 5 oder 6 in verschiedenen Raumbereichen innerhalb des Mediums 3 enden zu lassen.
Bedarfsweise können die Fasern 4 bzw. Bündel 5, 6 zumindest in Endberei- chen im Medium 3, insbesondere durch eine Strömung des Mediums 3, beweglich sein.
Die Zuführung oder Einleitung der Fasern 4 bzw. Bündel 5/6 erfolgt vorzugsweise von oben, beim Ausführungsbeispiel durch eine obere Halterung oder Abdeckung 9 oder dergleichen.
Die Fasern 4 bzw. Bündel 5/6 erstrecken sich vorzugsweise zumindest im wesentlichen vertikal von oben nach unten im Medium 3. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Dichte der Fasern 4 größer als die Dichte des Me- diums 3 ist, diese also nicht aufschwimmen.
Jedoch ist es grundsätzlich auch möglich, daß sich die Fasern 4 bzw. Bündel 5/6 von unten nach oben in das Medium 3 und/oder auf sonstige Weise - beispielsweise quer - in das Medium 3 erstrecken oder zumindest abschnittswei- se derart geführt sind.
Die Fasern 4 bestehen vorzugsweise aus Kunststoff, Glas oder einem sonstigen zur Lichtleitung geeigneten Material oder Aufbau. Insbesondere können auch Verbundwerkstoffe oder Verbundaufbauten, beispielsweise mit Be- Schichtungen, verwendet werden. Altemativ - also auch unabhängig — oder zusätzlich zu der dreidimensionalen Verteilung des Lichts 2 im Medium 3 durch die Fasern 4 gestatten die Fasern 4 bzw. Bündel 5/6 eine optimierte Zuführung des Lichts 2.
Beim Darstellungsbeispiel wird vorzugsweise Sonnenlicht zur Beleuchtung des Mediums 3 bzw. der Algen eingesetzt, auch wenn grundsätzlich jedes sonstige Licht verwendet werden kann. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, daß der Begriff "Licht" vorzugsweise in einem weiten Sinne dahingehend zu verstehen ist, daß nicht nur sichtbares Licht, sondern beispielsweise alternativ oder zusätzlich auch Infrarot-Licht und/oder ultraviolettes Licht entsprechend dem Medium 3 zugeführt werden kann. Generell kann die Energiezuführung über die Fasern 4 des Medium 3 auch anderen Zwecken als der beim Darstellungsbeispiel vorgesehenen Photosynthese und/oder Anregung des biologischen Wachstums und/oder der Umwandlung von Kohlendioxid in Biomasse dienen.
Die Anordnung 1 weist vorzugsweise eine Lichtsammeieinrichtung, insbesondere einen Kollektorspiegel 10, zum Auffangen von Sonnenlicht auf, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt. Das aufgefangene Sonnenlicht oder sonstiges Licht von einer sonstigen Beleuchtungseinrichtung kann dann über die Fasern 4 bzw. insbesondere ein Bündel 5 oder 6 zu dem Behälter bzw. Tank 8 mit dem Medium 3 mit insbesondere sehr geringen Verlusten geleitet werden. Insbesondere sind so Zuleitungen von mehreren 100 m möglich. Dies ist insbesondere bei großem Lichtbedarf sehr vorteilhaft, da entsprechend große Flä- chen, Lichtsammeieinrichtungen oder dergleichen erforderlich sind und/oder entsprechende bauliche Gegebenheiten berücksichtigt werden müssen und/oder können. Insbesondere ist es so möglich, den Behälter bzw. Tank 8 mit dem Medium 3 in einem nicht dargestellten Gebäude oder dergleichen unterzubringen und beispielsweise trotzdem Sonnenlicht zur Beleuchtung einzu- setzen.
Die Anordnung 1 weist vorzugsweise eine Einrichtung 1 1 zur Einleitung von Gas, das insbesondere Kohlendioxid enthält oder daraus besteht, auf. Beispielsweise kann Rauchgas, Klärgas, Faulgas, Luft oder dergleichen eingelei- tet werden. Beim Darstellungsbeispiel weist die Einrichtung 11 insbesondere einen Boden, ein Sieb 12 oder ein sonstiges geeignetes Einleitungsmittel auf, um das Gas insbesondere in Form von Gasblasen 13 in das Medium 3 einzuleiten bzw. abzugeben, wie in Fig. 1 schematisch angedeutet.
Die Gaszuleitung oder -einleitung erfolgt insbesondere bodenseitig und/oder in einer gewissen Tiefe, vorzugsweise von mindestens 5 bis 6 m, um einen guten Gasaustausch bzw. eine gute Versorgung des Mediums 3 und damit der Algen mit dem Gas zu ermöglichen.
Bedarfsweise wird das Gas oberhalb des Mediums 3 — beim Darstellungsbei- spiel beispielsweise oberhalb der Abdeckung 9 oder innerhalb des Behälters bzw. Tanks 8 abgesaugt und wieder über die Einrichtung 11 zugeleitet, also rezirkuliert, um eine besonders gute Ausnutzung bzw. einen besonders guten Abbau des Gases, insbesondere des Kohlendioxids, zu erreichen.
Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform der vorschlagsgemäßen Anordnung 1 und des Verfahrens zur dreidimensionalen Verteilung von Licht in dem Medium 3 und/oder zur Erzeugung von Biomasse anhand des Schemas gemäß Fig. 2 näher erläutert. Insbesondere werden nur wesentliche Unterschiede gegenüber der ersten Ausführungsform beschrieben, so daß die bishe- rigen Ausführungen und Erläuterungen insbesondere entsprechend oder ergänzend gelten.
Bei der ersten Aus führungs form verzweigen sich die Fasern 4 bzw. Bündel 5, 6 insbesondere baumartig, um das Licht 2 in verschiedenen Raumbereichen innerhalb des Mediums 3 - also dreidimensional - in dem Medium 3 zu verteilen. Bei der zweiten Ausführungsform ist alternativ oder ergänzend vorgesehen, daß das Licht über Gasblasen 13 eingeleitet und insbesondere dreidimensional in dem Medium 3 verteilt wird. Die Einleitung bzw. Erzeugung der Gasblasen 13 erfolgt vorzugsweise über hohle Fasern 4, kann aber auch auf sonstige Weise erfolgen.
Bei der zweiten Ausführungsform sind die Fasern 4 zur Zuleitung des Lichts 2 vorzugsweise zumindest abschnittsweise und/oder teilweise hohl ausgebildet, um nicht nur das Licht 2, sondern auch das Gas gleichzeitig zuführen zu kön- nen. Insbesondere erfolgt eine Lichtleitung im Mantel der hohlen Fasern 4, die in Fig. 2 schematisch, nicht maßstabsgerecht angedeutet sind. Beim Einleiten des Gases in das Medium 3 bilden sich die Gasblasen 13. Die Gasblasen 13 weisen vorzugsweise anfänglich eine Größe von im wesentlichen 1 bis 10 μm, insbesondere 2 bis 5 μm, auf. Bei dieser Größe bilden die Gasblasen 13 besonders geeignete Resonanzkörper für das aufzunehmende Licht.
Die hohlen Fasern 4 geben gleichzeitig das Licht an ihren Enden in den Bereichen ab, in denen die Gasblasen 13 gebildet werden. So können die Gasblasen 13 quasi mit Licht 2 "gefüllt" werden. Es wird eine Art Nebel oder Wolke leuchtender Gasblasen 13 erzeugt.
Die leuchtenden Gasblasen 13 - beispielhaft ist eine leuchtende Gasblase 13 in einer Ausschnittsvergrößerung in Fig. 2 dargestellt - wandern durch das Medium 3 nach oben. Hierbei werden die Gasblasen 13 aufgrund des abnehmenden Flüssigkeitsdrucks tendenziell größer. Andererseits kann sich das Gas im Medium 3 lösen bzw. von den Algen oder dergleichen aufgenommen werden, so daß die Gasblasen 13 dementsprechend tendenziell kleiner werden. Diese beiden Effekte können sich gegebenenfalls etwa kompensieren, so daß die Größe der Gasblasen 13 zumindest weitgehend gleichbleibt.
Um die gewünschte Gasblasengröße zu erreichen bzw. deren Bildung zumindest zu unterstützen, erfolgt die Einleitung des Gases vorzugsweise in einer Tiefe von etwa 3 bis 50 m, vorzugsweise 5 bis 10 m, in das Medium 3.
Die Einleitung des Gases erfolgt wiederum wie bei der ersten Ausfuhrungsform vorzugsweise bodenseitig bzw. von unten.
Zur Formung der Gasblasen 13 bzw. Manipulation der Größen der Gasblasen 13 kann bedarfsweise ein Sieb 12 oder dergleichen eingesetzt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die gewünschte Gasblasengröße sehr einfach durch entsprechende Wahl des Innendurchmessers der hohlen Fasern 4 beein- flußt werden. Fig. 3 und 4 zeigen beispielhaft zwei mögliche, unterschiedliche Querschnitte der hohlen Fasern 4, jeweils in schematischer, nicht maßstabsgerechter Darstellung.
Bei der Ausführungsvariante gemäß Fig. 3 handelt es sich um eine sogenannte Band-Gap-Faser. Die Gasführung erfolgt vorzugsweise ausschließlich über den Innen- bzw. Zentralkanal 14, bedarfsweise jedoch auch über die weiteren peripheren Hohlkanäle 15 dieser Faser 4. In diesem Fall erfolgt die Lichtleitung dann nur im Mantel der Faser 4.
Alternativ oder zusätzlich kann die Lichtleitung über die peripheren Hohlkanäle 15 erfolgen.
Fig. 4 zeigt eine "herkömmliche" Hohlfaser 4. Die Gaszuführung erfolgt hier über den Zentralkanal 14. Die Lichtleitung erfolgt im Mantel der Faser 4.
Um die gewünschte Gasblasengröße zu erreichen, beträgt der Innendurchmesser I der hohlen Fasern 4 bzw. Zentralkanäle 14 vorzugsweise höchsten 10 μm, insbesondere im wesentlichen 5 bis 9 μm.
Die Anordnung 1 bzw. Einrichtung 11 weist beim Darstellungsbeispiel vorzugsweise eine Zuführeinrichtung 16 insbesondere mit einem unter Gasdruck stehendem Gehäuse auf, um das Gas in die hohlen Fasern 4 einzuleiten und das Licht 2 in die Fasern 4 einzukoppeln.
Das Gas wird beispielsweise über eine Pumpe 17 oder dergleichen zugeführt und tritt insbesondere stirnseitig in die Kanäle 14 bzw. 15 ein.
Das Licht 2 wird beispielsweise über lichtleitende Fasern 4 bzw. ein Faser- bündel 6 oder dergleichen - insbesondere wiederum von einer Lichtsammeieinrichtung, wie dem in Fig. 2 nur schematisch angedeuteten Kollektorspiegel 10-oder-V-on-einer-sonstigerLB.eleuchtungseinrichtung oder dergleichen - zufie- führt bzw. zugeleitet. Fig. 2 zeigt die Ankopplung nur sehr schematisch. Insbesondere wird das Licht stirnseitig in die Anfänge der hohlen Fasern 4 einge- leitet. Dem Behälter oder Tank 8 bzw. dem Medium 3 ist vorzugsweise eine Umwälzeinrichtung, wie eine Umwälzpumpe 18, ein Rührwerk oder dergleichen, zugeordnet. So kann eine ausreichende und insbesondere das Wachstum fordernde Bewegung des Mediums 3 bzw. der Algensuspension sichergestellt werden.
Fig. 5 zeigt in einer schematischen Darstellung eine dritte Ausführungsform der vorschlagsgemäßen Anordnung 1 bzw. Einrichtung 11. Hier erfolgt die Erzeugung und Einleitung der Gasblasen 13 vorzugsweise über ein Gitter, ein Sieb 12 einen Lochboden oder dgl. Insbesondere kann es sich auch um einen Zwischenboden handeln. So können die bei der zweiten Ausführungsform aufgrund der hohlen Fasern 4 auftretenden Druckverluste bei der Zuführung des Gases vermieden oder zumindest minimiert werden.
Bei der zweiten und dritten Aus führungs form erfolgt insbesondere die Lichteinkopplung in die Gasblasen 13 dadurch, daß das Gas durch kleine Löcher oder Kanäle in einem optisch transparenten bzw. lichtleitenden Material geleitet wird und beim Austritt die Gasblasen 13 bildet und Licht 2 aufnimmt.
Besonders bevorzugt ist das Sieb 12 bzw. der Lochboden aus einer Platte, und/oder transparentem Material vorzugsweise Kunststoff, insbesondere mit einer Dicke von etwa 3 bis 10 mm, hergestellt. Die Platte weist vorzugsweise eine Vielzahl kleiner Löcher mit einem Durchmesser von höchstens 50 μm auf. Das Gas tritt durch diese Löcher hindurch in das Medium 3 ein. Die Be- leuchtung erfolgt vorzugsweise durch das transparente Plattenmaterial und/oder gasseitig. Über die Länge der Löcher bzw. Bohrungen - also über die Dicke der Platte - werden quasi "hohle Lichtwellenleiter" mit dem strömenden Gas als Innenraum und der Bodenplatte als optischem Mantel gebildet. So können die entstehenden Gasblasen 13 optisch an das Lichtfeld bzw. Licht 2 ankoppeln bzw. umgekehrt kann so das Licht 2 von den Gasblasen 13 aufgenommen werden.
Bei der dritten Ausführungsform gelten ansonsten die Erläuterungen und Anmerkungen zur zweiten Ausführungsform insbesondere entsprechend oder er- gänzend. Insbesondere kann wieder ein Kollektorspiegel 10 oder jede sonstige geeignete Beleuchtungseinrichtung zur Zuleitung von Licht - optional wieder über Faserbündel 6 oder dgl. - eingesetzt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das Licht 2 jedoch auch auf sonstige Art und Weise, insbesondere ggf. auch seitlich, in die optisch lichtdurchlässige bzw. transparente Platte mit den Löchern, über die das Gas in das Medium 3 zur Bildung der Gasblasen 13 eingeleitet wird, angekoppelt werden.
Bei der dritten Ausführungsform können bedarfsweise auch zusätzlich an ei- nigen Stellen des Bodens Rohre oder sonstige Vorsprünge, Verlängerungen oder dgl., beispielsweise mit einer Länge von etwa 1 bis 2 m, angebracht werden oder nach oben abragen bzw. vorspringen bzw. angeschlossen sein, in denen Lichtleitkabel geführt werden. Die Stirnfläche dieser Rohre kann dann beispielsweise mit einer Lochkonstruktion bzw. einem Aufbau, wie die Bo- denplatte ausgebildet werden. So kann die Begasung und Belichtung des Reaktorvolumens bzw. des Mediums 3 vergleichmäßigt werden. Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere Zwischenböden, die entsprechend der zweiten oder dritten Ausführungsform ausgebildet sind und beispielsweise in unterschiedlichen Höhen bzw. Tiefen angeordnet oder versetzt werden, einge- setzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante werden wesentlich kleinere Gasblasen 13 gebildet. Der anfängliche Durchmesser der Gasblasen 13 beträgt beispielsweise 0, 1 bis 10 μm, vorzugsweise weniger als 1 μm, insbesondere im wesentlichen 0,2 bis 0,6 μm.
Derartig kleine Gasblasen 13 können insbesondere durch Einleitung in einer entsprechenden Tiefe, beispielsweise etwa 50 m oder mehr, in das Medium 3 erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann das Medium 3 auch unter Druck ge- setzt werden.
Besonders bevorzugt erfolgt die Einleitung_des Gases bei einem Druck des Mediums 3 von etwa 50 bis 800 kPa. Besonders bevorzugt beträgt der Druck des Mediums 3, bei dem das Gas eingeleitet wird, mindestens etwa 500 kPa und mehr, um sehr kleine Gasblasen 13 zu bilden. Aufgrund der geringen Größe der Gasblasen 13 ist es möglich, diese durch direkte Belichtung mit Licht, insbesondere Sonnenlicht, zu Resonanzabsorption anzuregen, so daß das Licht beim Aufsteigen der Gasblasen 13 ins Reaktorinnere bzw. nach oben durch das Medium 3 transportiert wird. Die Belichtung der Gasblasen 13 kann insbesondere wieder über Lichtleitfasern 4 und/oder auf sonstige Art und Weise erfolgen.
Es ist anzumerken, daß die Gasblasen 13 Resonatoren für das eingestrahlte Licht 2 bilden können. Die Resonanzfrequenzen hängen von dem Durchmes- ser der Gasblasen 13 ab. Um nicht nur monochromatisches Licht aufnehmen zu können, werden vorzugsweise Gasblasen 13 mit unterschiedlichen Durchmessern, insbesondere mit einem das zugeführte Lichtspektrum abdeckenden Durchmesserspektrum, erzeugt.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen kann die Photosynthese mittels einer technischen Einrichtung nachgeahmt werden, nämlich aus Kohlendioxid und Wasser unter Einwirkung von Licht Biomasse bzw. CH2O-enthaltene Verbindungen und Sauerstoff zu erzeugen. Dementsprechend kann die vorschlagsgemäße Anordnung 1 auch als Bioreaktor, insbesondere als faseropti- scher Photo-Bioreaktor arbeiten bzw. bezeichnet werden.
Besonders bevorzugt wird Sonnenlicht verwendet, das insbesondere mittels Konzentratoren, Kollektorspiegeln 10 oder dergleichen gesammelt und dem Medium 3 zugeleitet und insbesondere in dieses eingeleitet wird, wie bereits anhand der beiden Ausführungsformen erläutert. Alternativ oder zusätzlich kann das Sonnenlicht auch durch ein Netz von Fluoreszenzfasern gesammelt werden.
Das konzentrierte Sonnenlicht oder sonstiges Licht wird vorzugsweise in opti- sehe Lichtleitfasern - bei der vorliegenden Erfindung kurz als 4 bezeichnet - eingespeist und insbesondere in Form eines Bündels 5/6 dem Bioreaktor, hier also dem Behälter bzw. Tank 8 mit dem Medium 3, zugeleitet.
Besonders bevorzugt kann die Algensuspension im gesamten Reaktorvolu- men, also im gesamten Behälter 8, mittels der Fasertechnik beleuchtet werden.
Insbesondere erfolgt dies dadurch, daß die Fasern 4 in unterschiedlichen Raumbereichen im Behälter 8 enden bzw. sich verzweigen, wie anhand der ersten Ausfuhrungsform erläutert. Alternativ oder zusätzlich kann die räumliche Verteilung des Lichts 2 in dem Medium 3 auch mittels Gasblasen 13, insbesondere durch einen Nebel aus leuchtenden Bläschen erfolgen, wie anhand der zweiten Ausführungsform erläutert.
Damit wird eine dreidimensionale Beleuchtung erreicht. Bei herkömmlicher Beleuchtung von einer Seite bzw. zumindest im wesentlichen nur aus einer Ebene wird wegen der hohen Schwächungskonstante der Algensuspension hingegen nur eine Zone von wenigen mm Eindringtiefe erreicht.
Wie bereits erläutert, kommt den Lichtleitfasern bei der vorliegenden Erfindung eine zweifache Bedeutung zu. Die einzelnen Effekte können auch unabhängig voneinander eingesetzt bzw. ausgenutzt werden.
Erstens dienen die Fasern 2 einem effektiven Lichttransport über große Längen. Bei großen anfallenden Kohlendioxidmengen, wie bei einem Kohlekraftwerk, wird sehr viel Licht zur Kohlendioxid-Bindung benötigt. Das erfordert entsprechend große Flächen zum Sammeln des Sonnenlichts mit ent- sprechend langen Transportwegen von über einigen 100 m.
Zweitens dienen die Lichtleitfasern 4 der Ausleuchtung eines dreidimensionalen Volumens im Behälter 4. Dies erfolgt durch die vorzugsweise baumartige Verzweigung und/oder mittels der Gasblasen 13.
Diesen Prinzipien machen die Anordnung 1 bzw. den Bioreaktor skalierbar.
Die beschriebene Erfindung soll helfen, das Kohlendioxidproblem zu lösen. Insbesondere sind die vorschlagsgemäße Anordnung 1 und das vorschlagsge- mäße Verfahren zum Abbau von Kohlendioxid aus dem Rauchgas fossiler Kraftwerke geeignet.
Zum Abbau von Kohlendioxid aus Rauchgas kann das Rauchgas gegebenenfalls einfach von unten in den Behälter 8 eingeblasen werden, wie bei den bei- den Ausführungsformen angedeutet. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß nicht nur Kohlendioxid abgebaut bzw. gebunden werden kann, sondern daß die erzeugte Biomasse auch als Rohmaterial für Brennstoff, Bioethanol, Biodiesel oder dergleichen verwendet werden kann.
Die starke Streuung des Mediums 3 unterstützt eine zumindest weitgehend gleichmäßige oder vollständige Ausleuchtung des Mediums 3 bzw. des Behälters 8.
Es ist anzumerken, daß von dem Sonnenlicht bedarfsweise der IR- Anteil abgetrennt, und beispielsweise für sonstige Zwecke, insbesondere zur Trocknung der erzeugten Biomasse, wie der Algen, oder dergleichen, eingesetzt werden kann.
Wie bereits erwähnt, kann zusätzlich oder alternativ zu der Aussendung des Lichts an den Faserenden auch eine seitliche Abstrahlung erfolgen. Dies kann insbesondere durch entsprechend starke Krümmung der Fasern 4 erreicht werden. Bedarfsweise können die Fasern 4 dementsprechend auch stark gekrümmt, insbesondere gewendelt, in dem Medium 3 geführt sein oder verlau- fen.
Es werden eine Anordnung und ein Verfahren zur dreidimensionalen Verteilung von Licht in einem flüssigen Medium, wie einer Algensuspension, und/oder zur Erzeugung von Biomasse vorgeschlagen. Licht, insbesondere Sonnenlicht, wird mittels Lichtleitfasern in einen Behälter mit dem Medium geleitet. Das Licht wird dreidimensional im Behälter verteilt. Hierzu enden die Fasern in verschiedenen Raumbereichen innerhalb des Behälters. Alternativ oder zusätzlich wird das Licht über das Blasen eingeleitet, wobei das Gas insbesondere über hohle Lichtleitfasern zugeführt wird.
Einzelne Merkmale und Aspekte der erläuterten Ausführungsformen und -Varianten können auch beliebig miteinander kombiniert und/oder bei sonstigen Anordnungen oder Verfahren eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Anordnung (1) zur dreidimensionalen Verteilung von Licht (2) in einem flüssigen Medium (3) und/oder zur Erzeugung von Biomasse, mit lichtleiten- den Fasern (4) zur Zuleitung des Lichts (2), wobei das Licht (2) in verschiedene Raumbereiche innerhalb des Mediums (3) verteilbar ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (3) photoaktiv und/oder biologisch aktiv ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (3) mindestens eine biologisch aktive Spezies, insbesondere Algen, enthält.
4. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere oder alle Fasern (4) in verschiedenen und/oder nicht in einer Ebene liegenden Raumbereichen, insbesondere Tiefen, in dem Medium (3) enden.
5. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) über vorzugsweise gitter- oder stangenartige Halterungen (7), insbesondere in verschiedenen Ebenen oder Tiefen, innerhalb des Mediums (3) gehalten sind.
6. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) aus Glas oder Kunststoff hergestellt sind.
7. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) zumindest im wesentlichen vertikal im Medium (3) verlaufen.
& Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Bündel (6) der Fasern (4) in Einzelbündel (5) und/oder Einzelfasern (4) verzweigt, die in verschiedenen und/oder nicht in einer Ebene liegenden Raumbereichen, insbesondere Tiefen, in dem Medium (3) enden.
9. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) und/oder Bündel (5, 6) zumindest in Endbereichen im Medium (3), insbesondere durch eine Strömung des Mediums (3), beweglich sind.
10. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung eine Einrichtung (11) zur Einleitung von vorzugsweise Kohlendioxid enthaltendem Gas, insbesondere Kohlendioxid, Rauchgas, Klärgas, Faulgas oder Luft, in das Medium (3) aufweist.
11. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) hohl ausgebildet und durch diese Gas und gleichzeitig das Licht (2) in das Medium (3) einleitbar ist.
12. Anordnung nach Anspruch 1 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) einen Innendurchmesser von höchstens 10 μm aufweisen.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas blasenförmig einleitbar, verteilbar und/oder abgebbar ist.
14. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht (2) von Gasblasen (13) aufhehmbar ist.
15. Anordnung (1) zur dreidimensionalen Verteilung von Licht (2) in einem flüssigen Medium (3) und/oder zur Erzeugung von Biomasse, insbesondere nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht (2) mittels Gasblasen (13) im Medium (3) verteilbar ist.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeich- net, daß die Gasblasen (13) anfänglich eine Größe von im wesentlichen 0,1 μm bis 10 μm, vorzugsweise etwa 1 bis 8 μm, insbesondere etwa 2 bis 5 μm, aufweisen.
17. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Gas über einen Boden oder ein Sieb (12) und/oder in einer Tiefe von 3 bis 50 m, vorzugsweise 5 bis 10 m, und/oder bei einem Druck des Medium (3) von etwa 50 bis 800 kPa in das Medium (3) einleitbar ist.
18. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Licht (2) über ein vorzugsweise gemeinsames Faserbündel
(5, 6) den Fasern (4) zuführbar ist.
19. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (1) eine Lichtsammeieinrichtung, insbesondere einen Kollektorspiegel (10), zur Aufnahme von Sonnenlicht aufweist, das in das Medium (3) eingeleitet wird.
20. Verfahren zur dreidimensionalen Verteilung von Licht (2) in einem flüssigen Medium (3) und/oder zur Erzeugung von Biomasse, wobei das Licht (2) über Fasern (4) zugeleitet wird, die in verschiedenen Raumbereichen innerhalb des Mediums (3) enden, und/oder wobei das Licht (2) mittels Gasblasen (13) innerhalb des Mediums (3) verteilt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20 dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (3) photoaktiv und/oder biologisch aktiv ist.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (3) mindestens eine biologisch aktive Spezies, insbesondere Algen, enthält.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß Fasern (4) in verschiedenen Tiefen und vertikal versetzt in dem Medium (3) enden.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) über vorzugsweise gitter- oder stangenartige Halterungen (7), insbesondere in verschiedenen Ebenen oder Tiefen, innerhalb des Mediums (3) gehalten werden.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) aus Glas oder Kunststoff hergestellt sind.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (4) zumindest im wesentlichen vertikal im Medium (3) verlaufen.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Bündel (5, 6) der Fasern (4) in Einzelbündel (5) und/oder Einzelfasern (4) verzweigt, die in verschiedenen Raumbereichen, insbesondere Tiefen, in dem Medium (3) enden.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) und/oder Bündel (5, 6) zumindest in Endbereichen im Medium (3), insbesondere durch eine Strömung des Mediums (3), beweglich sind.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß Gas, insbesondere Kohlendioxid, Rauchgas, Klärgas, Faulgas oder Luft, in das Medium (3) eingeleitet wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) hohl ausgebildet und durch diese Gas zur Bildung der Gasblasen (13) und gleichzeitig das Licht (2) in das Medium (3) eingeleitet werden.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) einen Innendurchmesser (I) von höchstens 10 μm aufweisen.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht (2) von Gasblasen (13) aufgenommen wird.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasen (13) jeweils einen Resonanzraum für das Licht (2) bilden.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasen (13) bodenseitig eingeleitet werden.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasen (13) anfänglich eine Größe von im wesentlichen 0, 1 bis 10 μm, vorzugsweise etwa 1 bis 8 μm, insbesondere 2 bis 5 μm, aufweisen.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasen (13) mittels eines Siebs (12) erzeugt oder geformt werden.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasen (13) in einer Tiefe von 3 bis 50 m, vorzugsweise 5 bis 10 m, und/oder bei einem Druck des Medium (3) von etwa 50 bis 800 kPa in das Medium (3) eingeleitet werden.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht (2) über ein vorzugsweise gemeinsames Faserbündel (5, 6) den Fasern (4) zugeführt wird.
39. Verfahren insbesondere nach einem der Ansprüche 20 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß Sonnenlicht aufgenommen und als Licht (2) eingesetzt, insbesondere über die Fasern (4) zu dem und/oder in das flüssige Medium (3) geleitet wird.
40. Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 20 bis 39 zur Verwandlung von Kohlendioxid in Biomasse, wobei ein flüssiges Medium (3) mit Algen ver- wendet wird, wobei Licht (2) in dem Medium (3) dreidimensional verteilt wird und wobei kohlendioxidenthaltendes oder daraus bestehendes Gas in Form von Gasblasen (13) in das Medium (3) eingeleitet wird, um das Wachstum und/oder die Vermehrung der Algen anzuregen und dadurch Biomasse zu bilden.
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