EP2242835A1 - Verfahren und einrichtung für einen photochemischen prozess - Google Patents

Verfahren und einrichtung für einen photochemischen prozess

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Publication number
EP2242835A1
EP2242835A1 EP09706963A EP09706963A EP2242835A1 EP 2242835 A1 EP2242835 A1 EP 2242835A1 EP 09706963 A EP09706963 A EP 09706963A EP 09706963 A EP09706963 A EP 09706963A EP 2242835 A1 EP2242835 A1 EP 2242835A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reactor
reaction medium
additives
gravity
introduction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09706963A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Mohr
Franz Emminger
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.)
ECODUNA AG
Original Assignee
ECODUNA OG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from AT1522008A external-priority patent/AT506373B1/de
Application filed by ECODUNA OG filed Critical ECODUNA OG
Publication of EP2242835A1 publication Critical patent/EP2242835A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • 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
    • C12M27/00—Means for mixing, agitating or circulating fluids in the vessel
    • C12M27/18—Flow directing inserts
    • C12M27/20—Baffles; Ribs; Ribbons; Auger vanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • 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
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • 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
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/50—Means for positioning or orientating the apparatus

Definitions

  • the invention relates to a process for a photochemical, such as photocatalytic and / or photosynthetic process, in particular for breeding and production or hydroculturing of, preferably phototrophic, microorganisms, wherein a reaction medium, for example an aqueous solution or a suspension, meander-shaped in a reactor becomes. Furthermore, the invention also relates to a device for carrying out the method.
  • a photochemical such as photocatalytic and / or photosynthetic process
  • a reaction medium for example an aqueous solution or a suspension
  • a bioreactor for phototrophic microorganisms which consists of glass or plastic, known.
  • the culture medium is either pumped through the bioreactor or meandered down through the horizontally arranged web plates down. Furthermore, turbulence generating means are mounted in the webs. According to this method, carbon dioxide is introduced at the top and natural or artificial light is used for the operation.
  • the bioreactor is placed or tracked at right angles to the light source.
  • GB 2 235 210 A and DE 196 44 992 C1 also disclose bioreactors for phototrophic microorganisms or for photocatalytic processes.
  • WO 98/18903 describes an actively or passively heatable solar element made of multiple web plates with at least three straps. layers within the reactor are used alternately for a photochemical or photosynthetic process.
  • the culture medium is passed meandering downwards.
  • the object of the invention is to provide a method of the initially cited type, which on the one hand avoids the above disadvantages and on the other hand allows a qualitative and, above all, quantitative increase in the yield or harvest.
  • the inventive method is characterized in that the meandering guide of the reaction medium is perpendicular or at an angle inclined at least once from top to bottom or in the direction of gravity and from bottom to top or against the direction of gravity, and that both a contribution as also an application of the reaction medium in or out of the reactor, preferably continuously, depressurized and free to the atmosphere via the upper reaction medium surface, wherein due to the hydrostatic pressure and level compensation for the microorganisms stress-free flow of the reaction medium is generated.
  • the invention it is possible for the first time to achieve a transport that is gentle on the microorganisms so that damage in the course of their production process is avoided.
  • the flow rate of the reaction medium through the reactor element By controlled introduction of the reaction medium in the region of the upper liquid level, the flow rate of the reaction medium through the reactor element, provided of course it is filled, can be defined.
  • the reaction medium flows meandering through the upright interconnected reactor elements.
  • the reactor elements are interconnected so that the inlet and the outlet are located at the top.
  • the reactor elements are wholly or partly open at the top.
  • the flow is achieved by utilizing hydrostatic pressure compensation with minimal loss of height throughout the reactor. Due to the largely pressure-free and appression-free transport of the reaction medium in a biosolar reactor, the reaction process is impaired as little as possible.
  • the injectable additives are introduced at a defined temperature. This achieves thermal regulation via the inflowing gases and / or nutrient solutions.
  • the introduction of liquid and / or gaseous substances or additives is carried out at the bottom in the region of the deflection of the reaction medium, wherein in the region of the flowing from bottom to top or against the direction of gravity reaction medium, a larger amount of liquid and / or gaseous substances or additives introduced as in the region of the flowing from top to bottom or in the direction of gravity reaction medium.
  • Incorporation of, preferably gaseous, additives is a stress-free transport of the microorganisms.
  • the application of gaseous process products preferably takes place during the process, over the reaction medium surface.
  • gaseous process products such as oxygen
  • the reactor is rotatably guided or controlled according to the sunlight over the entire arc of the horizontal course of the sun.
  • an optimization of the solar radiation for biosolar reactors is achieved.
  • Biosolar reactors thus find an optimized, natural illumination, corresponding to the type and the desired breeding success, for the photosynthetic process. Furthermore, it can be adjusted over the day and / or the changing light conditions. Both an increased and a decreasing exposure of the microorganisms to solar radiation, either for better use of light or for protection against excessive radiation, can be effected.
  • the inventive device for carrying out the method wherein a reactor, in particular a bioreactor, is provided consisting of tubes, is characterized in that the reactor consists of at least one reactor element formed by two upright, downwardly connected tubes and in that both an inlet and an outlet are provided at the upper edge of the reactor.
  • An alternative device for carrying out the process, wherein a reactor, in particular a bioreactor, is provided with elements of web or web multiple plates is characterized in that the reactor consists of at least one reactor element consisting of two, preferably rectangular, upright, chambers formed by the web or multi-plate sheets, which is formed by a partition which is open at the bottom, and that both an inlet and an outlet at the upper edge of the reactor is provided.
  • the reactor in particular the bioreactor can consist of transparent, translucent, coated and uncoated materials.
  • the tubes or multiwall sheets could be made of glass or light or UV light transmissive plastic, e.g. Polymethyl methacrylate exist.
  • the reactor elements can be made of both commercially available and optionally processed, as well as separately manufactured components that meet the above conditions. The reactor elements are arranged so that a continuous, meander-like flow from top to bottom and from bottom to top is ensured. The inflow and outflow to and from the reactor is set at the top.
  • the reaction medium After entering the reactor, the reaction medium flows through the hydrostatic force balance, the entire reactor in upright meanders. Arrived in the last reactor element, the reaction medium leaves the hydrostatic bioreactor and is passed without pressure or without pressure to a maturation tank or a collecting vessel or another reactor. From the collecting container, the reaction medium can be finished or fed stress-free intermediate storage or further processing.
  • its partition wall when connected to a reactor panel of two or more reactor elements, its partition wall is formed lower than the partition wall between the tubes or chambers of a reactor element, thereby creating an overflow or communicating opening when the liquid level in the reactor elements is higher than the partition wall between the reactor elements.
  • a reactor element is designed like a communicating vessel. This type of series connection of reactor elements to reactor panels gives the possibility of forming a defined flow path.
  • the optimum residence time within the entire reactor which is adapted to the respective phototrophic microorganisms or photochemical requirements and which corresponds to the process result, can be influenced by the following parameters: Flow rate
  • the reactor panels are preferably connected in series, in a frame-like receiving device parallel to each other, preferably fixedly mounted, arranged to form a reactor and the reactor is at least one, preferably vertical axis adjustable with a rotating device for the irradiation of light, wherein the reactor is provided in particular standing, hanging or floating on a buoyancy body.
  • a receiving device and such storage can be taken any angle to the sun.
  • a control corresponding to the course of the sun or the sun's succession a light optimization is achieved. For example, for certain applications, reduced exposure at lunchtime may be accomplished by averting or shadowing.
  • a position of the reactor facing the light source can be selected at any desired angle.
  • solar solar reactors to enable solar tracking these are fixed above and optionally below in the solar component, so that when the solar component of the solar radiation follows, the reactor panels do not change their position to each other, but the entire solar component is rotated.
  • the reactor panels which may be flat, or assembled in single tubes, transparent, translucent, coated and uncoated, are arranged to be suitable for growing the microorganisms, either batchwise in quiescent culture medium and / or continuously in flowing culture medium.
  • a sensor for detecting the course of the sun, via which the control of the rotational movement for the light irradiation for the reactor takes place.
  • the course of the sun is determined by a suitable sensor and transmitted to the reactor as a synchronous or arbitrarily defined rotational movement.
  • the data regarding coordinates, time and date could also be used for the control.
  • the light irradiation for the reactor via an artificial lighting via an artificial lighting.
  • the reactor can be constructed in such a way that it can be supplied with energy and also the attachment of, for phototrophic microorganisms favorable, illumination media, is possible.
  • the rotational movements for the light irradiation are synchronized.
  • the turning of all reactors of the entire plant can be synchronized so that, according to a basic arrangement, further behind lying reactors are not shaded by an approximately parallel position of the reactor panels for solar radiation. The ideal sunshine can be guaranteed.
  • At least parts, in particular outer surfaces, of the reactor panels and / or of the reactor are designed to be light-reflecting. This can increase the effect of natural or artificial lighting
  • additives such as nutrient solutions or gases and / or oxidants and / or active substances and / or the process-promoting solutes or gases, preferably during the process , provided at the reactor bottom, in the region of the deflection of the reaction medium, at least one introduction inlet.
  • the reaction medium may be enriched prior to entering the reactor with liquids dissolved in liquids to suit the needs of the microorganisms or requirements of the process, and / or supplied with fluid nutrients or oxidants during the passage in the reactor.
  • the decreasing nutrient content in the reaction medium in the photosynthetic process due to constant growth of the microorganisms, can be compensated by the continuous and / or batch introduction of a nutrient solution.
  • the falling in the photochemical process by continuous reaction efficiency in the reaction medium can also be compensated by the continuous and / or batch introduction of other active substances.
  • a supply possibility is created at the bottom of the reactor elements via controllable valves.
  • the meandering guidance of the reaction medium and / or the ascending fluid agents ensure good mixing and distribution within the entire reactor.
  • the introduced gases cause, by the rising of the gas bubbles, a self-cleaning of the reactor inner surface.
  • a sampling point for samples to check the process progress is also provided at the bottom of the reactor element.
  • bores are provided for the introduction of additives in the area of the deflection in the reactor element and / or in the reactor panel for the arrangement of a preferably continuous pipe, in particular a gas pipe with microbores.
  • the gas tube has the arrangement of the bores in such a way that the gassing and mixing of the reactor medium is ensured in each reactor element of Reaktorpaneies.
  • the gas pipe in the region of the flowing from bottom to top or against the direction of gravity reaction medium has a larger number and / or larger diameter having microbores as in the region of from top to bottom or in the direction of gravity flowing reaction medium.
  • the gas pipe at both ends of an external and / or internal thread.
  • the gas pipes are designed, for example, such that they are gas-tight with the assembly by means of a union nut can conclude. At least one of these union nuts is provided with a connection for a gas line.
  • gas pipe can be provided via its internal thread with a connecting piece which can be screwed to another gas pipe.
  • a discharge outlet is provided, which is provided above the reaction medium surface or above the top of the reactor elements.
  • Gaseous process products such as metabolic products which are formed in the photosynthetic or photochemical process, can rise freely in the reaction medium due to the freedom from pressure in the reactor element.
  • Reactor element is an escape and / or suction of the gaseous process products possible.
  • the process exhaust output is promoted by the resulting rising bubbles in the process and / or optionally controlled by additionally injected gases.
  • a collecting device with an application outlet provided above the reaction medium surface or above the upper side of the reactor elements is provided for the application of gaseous process products.
  • the gaseous process products can be collected and, if appropriate, sent for further utilization or disposal.
  • a loss of reaction medium by evaporation and / or by loss of spray and a controlled discharge and collection of gases is possible by a closed design.
  • a siphon is provided in front of the inlet and / or after the outlet.
  • the inflow to the reactor is set at the top.
  • the reaction medium can be supplied by a Sifon the first reactor element without pressure or pressure and optionally gas-tight and be discharged through another siphon to the reactor, without pressure and optionally gas-tight.
  • an Archimedean screw or a Da Vinci spiral is provided for transporting the reaction medium both within the reactor and between reactors.
  • one or more hoses or webs are spirally wound on an axle once or multiple times and stably fixed in any technique, for example screwed, glued, etc.
  • the one or more hoses or webs are open at both ends.
  • the transport element is aligned and mounted so that the lower end of the tubes or webs draws reaction medium from a container.
  • hoses or webs are only so far submerged in the reaction medium, which passes with each revolution, the end of the hose or the web outside the reaction medium over the surface.
  • the reactor medium By slowly rotating in a spiral direction which does not produce any significant centrifugal forces, the reactor medium is transported to the upper end of the screw by utilizing the hydrostatic pressure equalization in the respective lower halves of the hoses or webs. At everyone Rotation is released, located in the upper half-winding liquid located and falls into a relation to the output container higher located container. By optionally complete or partial closing of the transport device spray loss and or gas leakage can be avoided.
  • FIG. 1 is a plan view of FIG. 1
  • FIG. 3 is a side elevation of FIG. 1,
  • FIG. 5 is a plan view according to FIG. 4
  • FIG. 6 is a side elevation according to FIG. 4,
  • FIG. 11 shows a bioreactor with an Archimedean spiral
  • FIG. 12 shows a biosolar reactor
  • a reactor in particular a biosolar reactor 1, consists of at least one reactor element 2, which is formed from two upright tubes 3 connected at the bottom. An inlet 4 as well as an outlet 5 are provided at the upper edge of the reactor.
  • a plurality of reactor elements 2 are connected in series, wherein always an outlet 5 is connected to an inlet 4.
  • Such a biosolar reactor 1 is used for a process for a photochemical, such as photocatalytic and / or photosynthetic process, in particular for a cultivation and production or hydroculturing of, preferably phototrophic, microorganisms used.
  • the biosolar reactor 1 is filled with a reaction medium 6, for example an aqueous solution or a suspension.
  • the biosolar reactor 1 is fed only via its first inlet 4.
  • the guide or flow direction of the reaction medium 6 is upright, preferably vertically, once from top to bottom and from bottom to top in a reactor element 2.
  • reaction medium 6 flows meandering through the reactor , Both the introduction or feed and the application of the reaction medium 6 in or out of the biosolar reactor 1, preferably carried out continuously, depressurized and free to the atmosphere over the upper reaction medium surface or just above the upper liquid level or in the region of the upper liquid level.
  • the reactor elements 2 are thus connected in a meandering manner with each other as communicating tubes 3, the inlet 4 and the outlet 5 being at the top.
  • the reactor elements 2 are wholly or partially, depending on requirements, open at the top. Due to the hydrostatic pressure and level compensation takes place via the feed of reaction medium 6 at the inlet 4, a flow of the reaction medium 6. For the process, this means that for the
  • Microorganisms stress-free flow of the reaction medium 6 is generated. As a result, a free flow between the individual reactor elements 2 is made possible without the additional energy must be supplied.
  • the reaction medium 6 moves in the effort of the liquid to compensate for the difference in height between inlet 4 and outlet 5, with a minimum loss of height meandering through the reactor.
  • a reactor element 2 consists of two, preferably rectangular, upright, formed from the web or web multiple plates 7 chambers 8, through a partition wall 9, which open at the bottom is, is formed. Both the inlet 4 for the introduction and the inlet and the outlet 5 is provided at the upper reactor rim. In the illustrated embodiment according to FIG. 4, two reactor elements 2 are already connected.
  • Chambers 8 of a reactor element 2 is formed. This creates an overflow or a communicating opening when the liquid level in the reactor elements 2 is higher than the dividing wall 10 between the reactor elements 2. As a result, the energy consumption is minimized by eliminating as far as possible pumps between the process steps and any number of equal or different process steps in the same flow height can be coupled to each other.
  • the individual reactor elements 2 can be made transparent or translucent or, if required, also light-tight. As materials, both glass or UV transparent plastic, e.g. Polymethylmethacrylate find use.
  • an inclined reactor With regard to the light irradiation to the reactor elements 2 - which will be discussed in more detail later - is shown in FIG. 6, an inclined reactor. Despite the fact that the reactor is inclined at an angle, the reaction medium 6 flows once from top to bottom or in the direction of gravity and from bottom to top or against the direction of gravity.
  • FIG. 4 is for the, continuous or batchwise, introduction of additives 12, such as nutrient solutions or - gases and / or oxidants and / or active substances and / or the process promoting solutes or gases, preferably during the process, at the reactor bottom, in the region of the deflection of the reaction medium 6, at least one introduction inlet 11, for example a controllable valve provided.
  • the reaction medium 6 is optionally saturated before entering the reactor with CO2 or other gases, the degree of saturation is enriched according to the needs of the process and / or supplied while staying in the reactor with CO2 other gases.
  • Microorganisms, decreasing CO2 content in the reaction medium 6 can be compensated by the continuous or pulsed introduction of CO2.
  • additives 12 such as fluids and gases further optimizes the supply of light, since by the resulting turbulence in the reaction medium 6, all molecules or phototrophic microorganisms sufficiently flooded with light, near the outside light zone - indicated by the arrows 13 - of the reactor element. 2 be guided.
  • heating or cooling of the reaction medium 6 can also take place by means of defined introduced fluids and gases.
  • the introduced additives 12 can thus be used for the controlled temperature control of the reaction medium 6.
  • the introduction of liquid and / or gaseous substances or additives 12 on the underside in the region of the deflection of the reaction medium 6 is performed.
  • a larger amount of liquid and / or gaseous substances or additives 12 is introduced in the area of the reaction medium 6 flowing from bottom to top or against the direction of gravity than in the area from top to bottom or in Direction of gravity flowing reaction medium 6.
  • the medium is introduced in the inlet opening 4 into a reactor panel 18, which inclines at an angle along the panel axis, so that the inlet 4 is lower than the outlet 5.
  • the inclination is maximally applied at an angle which does not lead to a rear overflow of the webs 9, which separates the two liquid columns within a reactor element 2.
  • the medium When the maximum possible angle is exceeded, the medium would, after passing the tube 3, in which it flows against gravity, flow back over the web 9 back into the tube from which it has come before, and thus with a closed circuit Generate gas lift circulation.
  • the desired slope of the "gas lift effect" can be regulated, which results in controlling the flow rate with increasing height of the upper liquid edge.
  • the reaction medium 6 is introduced in the inlet 4 into a reactor panel 18, which inclines at an angle along the panel axis, so that the inlet 4 is higher than the outlet 5.
  • the inclination can be applied maximally at an angle that does not lead to an overflow of the webs 9, in the direction from the inlet 4 to the outlet 5, the separating the liquid columns within a reactor element 2, since then no flow is generated in the tubes 3, but the medium would flow only above above the webs 9 away and the medium would come to a standstill in the reactor elements 2.
  • the desired slope can be regulated, which results in controlling the flow rate as the height of the upper liquid edge decreases.
  • the aim is to control the entire system so that in addition to the gas lift in an economically sensible place, no additional energy for the flow of the medium is spent within the entire system.
  • a gas pipe 21 with microbores 22 is provided.
  • the gas pipe 21 in the region of the flowing from bottom to top or against the direction of gravity reaction medium 6 a larger number and / or larger diameter having microbores 22 than in the region of the top to bottom or in the direction of gravity flowing reaction medium 6.
  • the gas pipe 21 For a rapid change of the gas pipe 21 (FIG. 8), it has an outer and / or an inner thread 23 at both ends.
  • the gas pipes 21 are designed, for example, such that they can be closed by a union nut gas-tight with the assembly. At least one of these union nuts is provided with a connection for a gas line.
  • gas pipe can be provided via its internal thread with a connecting piece 24 which can be screwed to a further gas pipe 21.
  • the biosolar reactor 1 can be provided with an Archimedean screw 14.
  • the Archimedean screw 14 or a Da Vinci spiral serves to transport the reaction medium 6 both inside the reactor and also between reactor parts or reactors
  • a siphon 15 is provided in front of the inlet 4 and downstream of the outlet 5.
  • the sifons 15 can also be arranged independently of the Archimedean screw 14 in front of the inlet 4 or after the outlet 5 from the reactor.
  • the reaction medium 6 can be supplied by a siphon 15 to the first reactor element 2 without pressure or without pressure.
  • the Archimedean screw 14 or a Da Vinci spiral is preferably used in the process for continuous photocatalytic and photosynthetic processes and transport in biosolar reactors 1.
  • the transport of the reaction medium 6 overcoming
  • a maturation tank (not shown) can be provided after and / or in front of the biosolar reactor 1, in particular for a continuous, photochemical or photosynthetic process.
  • the hydrostatic maturation tank is similar to the design of the hydrostatic bioreactor with meander-like reactor elements 2, which allow an upright flow.
  • the ripening tank may be made of opaque material, since phototrophic microorganisms in the resting phase may need only the right temperature nutrients and opportunity to deliver metabolic waste.
  • a larger cross-section can be used in the reactor elements 2 in order to regulate the rest time and to save space.
  • the desired largely pressure-free or pressureless transport of the reaction medium 6 is achieved as follows:
  • the reaction medium 6 is not exposed during the entire transport any further pressure than that which arises within the transport element by the weight of the reaction medium 6.
  • By a low speed the reaction medium 6 is not exposed to significant centrifugal forces.
  • the development of the microorganisms or the course of the process is not interrupted or disturbed by the transport.
  • By using hydrostatic pressure compensation in an "Archimedean screw" or in a Da Vinci spiral freedom of pressure is maintained and the processes can be free of stress, acceleration and pressure.
  • the reaction medium 6 is exposed during the entire transport no higher Appression than that which arises within the transport element by the free flow of the reaction medium.
  • the development of the microorganisms or the course of the process is not interrupted or disturbed by the transport. Abrasion injuries and damage to the cell walls of microorganisms or molecules such as by pumping are excluded.
  • By using the hydrostatic pressure compensation in an Archimedean screw or in a Da Vinci spiral freedom of aversion is maintained.
  • a discharge outlet 16 is provided, which is provided above the reaction medium surface or above the top of the reactor elements.
  • a collecting device 17 provided with the discharge outlet 16 can be provided above the liquid level of the reaction medium 6 or above the upper side of the reactor elements.
  • the biosolar reactor 1 can be designed to be adjustable for light irradiation. In low solar radiation, poor geographic location or phototrophic microorganisms or photocatalytic processes especially in need of light, the biosolar reactor 1 is rotatably guided or controlled in accordance with the solar radiation over the entire arc of the horizontal course of the sun.
  • The, preferably connected in series, reactor panels 18 are arranged in a frame-like receiving device 25 almost parallel to each other, preferably fixedly mounted to a reactor.
  • the biosolar reactor 1 is adjustable via at least one, preferably vertical, axis 26 with a rotating device for light irradiation, wherein the reactor can be provided in particular standing, hanging or floating on a buoyant body.
  • a sensor or the use of data regarding coordinates, time, and date can be provided, via which the
  • the light irradiation for the reactor can also take place via artificial lighting.
  • the rotational movements for the light irradiation can be synchronized.
  • at least parts, in particular outer surfaces, of the reactor panels 18 and / or of the reactor can be designed to be light-reflecting.
  • a reactor panel 18 formed from reactor elements 2 is arranged in such a way that the light beams or sunrays 19, which are indicated schematically, impinge at an approximately right angle to the panel axis.
  • a plurality of, preferably interconnected, reactor panels 18 are provided, which are arranged in such a way that the light or solar beams 19 run almost parallel to the solar panel axes.
  • the reactor panels 18 are suspended in an upright and / or upright position in an upper and / or lower holder or in the receiving device 25.
  • This holder or receiving device 25 can fulfill the following functions:
  • This holder can accommodate at least two to any number of reactor panels 18 to a reactor.
  • the method allows an optimal combination of reaction phases under light and resting phases in the dark and a stress-free transport.
  • the reaction medium 6 can before the actual reaction in a
  • Enrichment tank with nutrients and nutrient gases are supplied basic, which favor the bioreaction from the beginning.
  • the reaction medium 6 can be ideally tempered and corresponding to the purpose of the reaction, phototrophic microorganisms or chemical substances can be introduced in a defined amount.
  • reaction medium 6 In order to maintain the ideal reaction conditions, temperature, process fluid content, process gas content, circulation, mixing, light supply, and removal of metabolic products can be controlled and controlled in the reaction medium 6.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung für einen photochemischen, wie photokatalytischen und/oder photosynthetischen Prozess, insbesondere für eine Zucht und Produktion bzw. Hydrokultivierung von, vorzugsweise phototrophen, Mikroorganismen. Es ist ein Reaktor, insbesondere ein Biosolarreaktor (1), bestehend aus mindestens einem Reaktorelement (2) vorgesehen. Das Reaktorelement (2) wird aus zwei aufrechten, unten verbundenen Röhren (3) gebildet. Weiters ist ein Einlass (4) als auch ein Auslass (5) am oberen Reaktorrand vorgesehen. Die mäanderförmige Führung des Reaktionsmediums (6) erfolgt senkrecht oder in einem Winkel geneigt mindestens einmal von oben nach unten bzw. in Richtung Schwerkraft und von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft. Sowohl die Einbringung als auch die Ausbringung des Reaktionsmediums (6) in bzw. aus dem Reaktor, erfolgt vorzugsweise kontinuierlich, drucklos und frei zur Atmosphäre über die obere Reaktionsmediums-Oberfläche, wobei auf Grund des hydrostatischen Druck- und Niveauausgleich eine für die Mikroorganismen stressfreie Strömung des Reaktionsmediums (6) erzeugt wird.

Description

Verfahren und Einrichtung für einen photochemischen Prozess
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für einen photochemischen, wie photokatalytischen und/oder photosynthetischen Prozess, insbesondere für eine Zucht und Produktion bzw. Hydrokultivierung von, vorzugsweise phototrophen, Mikroorganismen, wobei ein Reaktionsmedium, beispielsweise eine wässerige Lösung oder eine Suspension, mäanderförmig in einem Reaktor geführt wird. Ferner betrifft die Erfindung auch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der DE 41 34 813 A1 ist ein Bioreaktor für phototrophe Mikroorganismen, welcher aus Glas oder Kunststoff besteht, bekannt. Das Kulturmedium wird entweder durch den Bioreaktor gepumpt oder mäanderförmig durch die waagrecht angeordneten Stegplatten nach unten geleitet. Weiters sind Turbulenz erzeugende Mittel in den Stegen angebracht. Entsprechend diesem Verfahren wird Kohlenstoffdioxid oben eingeleitet und zum Betrieb wird natürliches oder Kunstlicht verwendet. Der Bioreaktor wird in rechtem Winkel zur Lichtquelle gestellt bzw. nachgeführt.
Weiters sind auch aus der GB 2 235 210 A und der DE 196 44 992 C1 Bioreaktoren für phototrophe Mikroorganismen bzw. für photokatalytische Prozesse bekannt.
Aus der EP 738 686 A1 ist die photokatalytische Abwasserreinigung in einem Bioreaktor, wo die zu reinigende Flüssigkeit durch Stegmehrfachplatten aus transparentem Kunststoff geleitet wird, bekannt. Für die Regulierung der Temperatur können transluzente handelsübliche Mehrfachstegplatten Verwendung finden.
Ferner ist in der WO 98/18903 ein aktiv oder passiv temperierbares Solarelement aus Mehrfachstegplatten mit mindestens drei Gurten beschrieben. Schichten innerhalb des Reaktors werden wechselweise für einen photochemischen bzw. photosynthetischen Prozess genutzt. Dabei wird in einem geschlossenen Reaktor mit abgedichteter Stirnseite und waagrecht angeordneten Stegplatten das Kulturmedium mäanderförmig nach unten geleitet.
Bekannt sind natürlich auch die Archimedische Schraube und die Spirale nach Da Vinci, beispielsweise aus Florian Manfred Grätz „Teilautomatische Generierung von Stromlauf- und Fluidplänen für mechatronische Systeme (Diss. München Techn. Univ. 2006) ISBN 10 3-8316-0643-9.
Darüber hinaus ist aus der DE 195 07 149 C2 eine Wasserkraftschnecke mit einem Trog und einem Generator zur Stromgewinnung bekannt. Aus der
DE 41 39 134 C2 ist eine Wasserkraftschnecke zur Energieumwandlung bekannt.
Natürlich ist der hydrostatische Kräfteausgleich als hydrostatisches Paradoxon, auch genannt Pascalsches Paradoxon, bekannt. Dieser ist ein scheinbares Paradoxon, welches das Phänomen beschreibt, dass eine Flüssigkeit einen Schweredruck, abhängig von der Füllhöhe der Flüssigkeit auf den Boden eines Gefäßes, bewirkt, die Form des Gefäßes aber keinen Einfluss ausübt.
Als kommunizierende Gefäße oder kommunizierende Röhren benennt man oben offene, unten verbundene Gefäße. Ein homogenes Fluid steht in ihnen in gleicher Höhe, weil der Luftdruck und die Schwerkraft auf die Gefäße gleichermaßen wirken. Bei inhomogenen Flüssigkeiten verhalten sich die Flüssigkeitssäulen in der Höhe umgekehrt zu ihrem spezifischen Gewicht.
Üblicherweise wird - wie auch in einigen oben angeführten Verfahren - der Transport in Solarreaktoren durch handelsübliche Pumpverfahren durchgeführt. Diese Vorgehensweise verursacht Stress für die Mikroorganismen im Reaktionsmedium, sei es durch hohen Druck, Unterdruck, starke Beschleunigung oder Quetschung. Diesem Stress ausgesetzt, fallen die meisten phototrophen Mikroorganismen in ihren potenziellen photosynthetischen Fähigkeiten ab. Zellen werden zerstört, geschädigt und oder die Mikroorganismen brauchen Zeit und/oder Stoffwechselprodukte zur Regeneration, bevor sie die ihnen zugewiesenen Prozesse wieder voll aufnehmen können. Ebenso fallen, diesem Stress ausgesetzt, die meisten photochemischen Prozesse in ihren potenziellen photokatalytischen Fähigkeiten ab, da Moleküle zerstört oder geschädigt werden und/oder Zeit und/oder weitere Oxidationsmittel benötigen, bevor sie die Ihnen zugewiesenen Prozesse wieder voll aufnehmen können.
Weiters ist aus der DE 29 51 700 C2 ein Solarkraftwerk bekannt, welches hängend an einer Achse eines Auslegers an einem Gebäuden angebracht ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs zitierten Art zu schaffen, das einerseits die obigen Nachteile vermeidet und das anderseits eine qualitative und vor allem quantitative Erhöhung der Ausbeute bzw. der Ernte ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die mäanderförmige Führung des Reaktionsmedium senkrecht oder in einem Winkel geneigt mindestens einmal von oben nach unten bzw. in Richtung Schwerkraft und von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft, erfolgt und dass sowohl eine Einbringung als auch eine Ausbringung des Reaktionsmediums in bzw. aus dem Reaktor, vorzugsweise kontinuierlich, drucklos und frei zur Atmosphäre über die obere Reaktionsmediums-Oberfläche erfolgt, wobei auf Grund des hydrostatischen Druck- und Niveauausgleich eine für die Mikroorganismen stressfreie Strömung des Reaktionsmediums erzeugt wird. Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, einen für die Mikroorganismen schonenden Transport zu erreichen, so dass eine Schädigung im Zuge ihres Produktionsverfahrens vermieden wird. Durch ein kontrolliertes Einbringen des Reaktionsmediums im Bereich des oberen Flüssigkeitsspiegels kann die Durchflussgeschwindigkeit des Reaktionsmediums durch das Reaktorelement, vorausgesetzt natürlich es ist gefüllt, definiert werden. Das Reaktionsmedium fließt mäanderartig durch die aufrechten miteinander verbundenen Reaktorelemente. Die Reaktorelemente sind so miteinander verbunden, das der Einlass und der Auslass oben angeordnet sind. Die Reaktorelemente sind ganz oder teilweise nach oben hin offen. Der Durchfluss wird unter Ausnutzung des hydrostatischen Druckausgleiches mit minimalem Höhenverlust innerhalb des gesamten Reaktors erreicht. Durch den weitestgehend druckfreien und appressionsfreien Transport des Reaktionsmediums in einem Biosolarreaktor wird der Reaktionsprozess möglichst wenig beeinträchtigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise für folgende Anwendungsbereiche eingesetzt werden:
• Die photochemische und/oder photosynthetische Reinigung von Abwasser • Die photosynthetische Verstoffwechslung von CO2 zu Sauerstoff, durch phototrophe Mikroorganismen
• Zucht und Produktion von phototrophen Mikroorganismen für Forschungszwecke
• Forschung an photochemischen und oder photosynthetischen Prozessen • Zucht und Produktion von phototrophen Mikroorganismen für
Nahrungsmittelprodukte und Nahrungsmittelgrundstoffe
• Zucht und Produktion von phototrophen Mikroorganismen für Grundstoffe der pharmazeutischen Industrie
• Zucht und Produktion von phototrophen Mikroorganismen für Kraftstoffe und Grundstoffe für Kraftstoffproduktion und Energiegewinnung
• Zucht und Produktion von phototrophen Mikroorganismen für Grundstoffe der chemischen Industrie
• Zucht und Produktion von phototrophen Mikroorganismen die nutzbare Gase z.B. Wasserstoff) im photosynthetischen Prozess abgeben
Durch die Nutzung des hydrostatischen Kräfteausgleichs beim Durchfließen des Reaktionsmediums der Reaktorelemente erfolgt quasi ein stressfreier Transport der gegebenenfalls mitgeführten Mikroorganismen. Ferner kann eine Energieoptimierung, eine definierte Lichtführung, eine Platzoptimierung, eine Versorgung mit Zusatzstoffen, eine definierte Temperierung, eine gezielte Steuerung sowie eine verbesserte Gasausbringung erzielt werden. Nach einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung wird eine, kontinuierliche oder chargenweise, Einbringung von flüssigen und/oder gasförmigen Zusatzstoffen, wie beispielsweise Nährstofflösungen und/oder Oxidationsmittel und/oder Wirksubstanzen und/oder den Prozess fördernde gelöste Stoffe, vorzugsweise während des Prozesses, vorzugsweise an der Unterseite, im Bereich der Umlenkung des Reaktionsmediums, durchgeführt. Dadurch können eine kontrollierte und optimierte Einbringung von Nährlösungen und prozessfördernden Lösungen sowie eine kontrollierte und optimierte Einbringung von Nähr- und Prozessgasen erfolgen. Alle Interventionen in das Reaktionsmedium werden vorzugsweise an der Unterseite der Reaktionselemente vorgenommen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt durch die Einbringung der Zusatzstoffe am unteren Ende der Flüssigkeitssäule eine Durchmischung und gleichmäßige Verteilung der Zusatzstoffe im Reaktionsmedium. Dadurch erfolgt eine Verwirbelung des Reaktionsmediums durch die aufsteigenden Gase.
Nach einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden die einbringbaren Zusatzstoffe mit einer definierten Temperatur eingebracht. Dadurch wird eine thermische Regulierung über die eingeströmten Gase und/oder Nährstofflösungen erreicht.
Entsprechend einem besonderen Merkmal der Erfindung wird die Einbringung von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen bzw. Zusatzstoffen an der Unterseite im Bereich der Umlenkung des Reaktionsmediums durchgeführt, wobei im Bereich des von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums eine größere Menge von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen bzw. Zusatzstoffen eingebracht als im Bereich des von oben nach unten bzw. in Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums. Dadurch wird - entsprechend der Arbeitsweise einer Mammutpumpe - der Flüssigkeitsspiegel in der von unten nach oben durchflossenen Röhre oder Kammer in einer Art „Gaslifteffekt" gegenüber der von oben nach unten durchflossenen Röhre bzw. Kammer angehoben. Diese Differenz des Flüssigkeitsspiegels kann bei einer oftmaligen Hintereinanderschaltung von solchen Einheiten und vermehrter Gaseinbringung in jede aufsteigende Röhre zu einem Anstieg des Flüssigkeitsspiegels am Ende der letzten Röhre bzw. Kammer gegenüber der ersten Röhre oder Kammer führen, wenn die Konstruktion des Reaktors den Anstieg des Flüssigkeitsspiegel berücksichtigt. Trotz dieser vermehrten
Einbringung von, vorzugsweise gasförmigen, Zusatzstoffe erfolgt ein stressfreier Transport der Mikroorganismen.
Gemäß einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung erfolgt die Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten, wie beispielsweise Sauerstoff, vorzugsweise während des Prozesses, über die Reaktionsmediums-Oberfläche. Dadurch kann eine kontrollierte und optimierte Reduktion von Schadstoffen erreicht werden, wobei diese optimierte Ausbringung auch ein Sammeln von gasförmigen Prozessprodukten erlaubt.
Nach einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird der Reaktor entsprechend der Sonneneinstrahlung über den gesamten Bogen des horizontalen Sonnenverlaufes drehbar geführt oder gesteuert. Dadurch wird eine Optimierung der Sonneneinstrahlung für Biosolarreaktoren erreicht. Phototrophe Mikroorganismen für verschiedenste Anwendungen in verschiedenen
Biosolarreaktoren finden dadurch eine der Art und dem gewünschten Zuchterfolg entsprechende, optimierte, natürliche Beleuchtung, für den photosynthetischen Prozess vor. Ferner kann diese über den Tag und/oder den sich ändernden Lichtverhältnissen anpasst werden Es kann sowohl eine vermehrte als auch eine vermindernde Exposition der Mikroorganismen zur Sonneneinstrahlung, entweder zur bessere Lichtnutzung oder zum Schutz vor zu intensiver Strahlung, bewirkt werden.
Weiters ist es auch Aufgabe der Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei ein Reaktor, insbesondere ein Bioreaktor, bestehend aus Röhren vorgesehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor aus mindestens einem Reaktorelement besteht, das aus zwei aufrechten, unten verbundenen Röhren gebildet ist und dass sowohl ein Einlass als auch ein Auslass am oberen Reaktorrand vorgesehen ist.
Eine alternative erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei ein Reaktor, insbesondere ein Bioreaktor, mit Elementen aus Steg- bzw. Stegmehrfachplatten vorgesehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor aus mindestens einem Reaktorelement besteht, das aus zwei, vorzugsweise rechteckigen, aufrechten, aus den Steg- bzw. Stegmehrfachplatten gebildeten Kammern, die durch eine Trennwand, die am Boden offen ist, gebildet ist und dass sowohl ein Einlass als auch ein Auslass am oberen Reaktorrand vorgesehen ist.
Der Reaktor, insbesondere der Bioreaktor kann aus transparenten, transluzenten, beschichteten und unbeschichteten Materialien bestehen. Ebenso könnten die Röhren oder Stegplatten aus Glas oder Licht bzw. UV-Licht durchlässigem Kunststoff wie z.B. Polymethylmethacrylat bestehen. Die Reaktorelemente können sowohl aus handelsüblichen und gegebenenfalls bearbeiteten, als auch gesondert gefertigten Bauteilen, die obigen Bedingungen erfüllen, ausgeführt sein. Die Reaktorelemente werden so angeordnet, dass ein kontinuierliches, mäanderartiges Durchfließen von oben nach unten und von unten nach oben gewährleistet ist. Der Zufluss und der Abfluss zum bzw. aus dem Reaktor ist im oberen Bereich angesetzt.
Nach Eintritt in den Reaktor fließt das Reaktionsmedium, durch den hydrostatischen Kräfteausgleich, den gesamten Reaktor in aufrechten Mäandern ab. Im letzten Reaktorelement angekommen, verlässt das Reaktionsmedium den hydrostatischen Bioreaktor und wird druckfrei bzw. drucklos zu einem Reifungstank oder einem Auffangbehälter oder einem weiteren Reaktor geführt. Vom Auffangbehälter kann das Reaktionsmedium endbearbeitet oder stressfrei einer Zwischenlagerung oder weiteren Bearbeitung zugeführt werden. Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung ist bei einer Verbindung zu einem Reaktorpanel von zwei oder mehr Reaktorelementen deren Trennwand niedriger als die Trennwand zwischen den Röhren bzw. Kammern eines Reaktorelementes ausgebildet, wodurch ein Überlauf bzw. eine kommunizierende Öffnung entsteht, wenn der Flüssigkeitsstand in den Reaktorelementen höher als die Trennwand zwischen den Reaktorelementen ist. Ein Reaktorelement ist wie ein kommunizierendes Gefäß ausgebildet. Durch diese Art der Serienschaltung von Reaktorelementen zu Reaktorpanelen ist die Möglichkeit gegeben, eine definierte Durchflussstrecke zu bilden.
Die den jeweiligen phototrophen Mikroorganismen oder photochemischen Anforderungen angepasste und dem Prozessergebnis entsprechend optimale Verweildauer innerhalb des gesamten Reaktors kann durch folgende Parameter beeinflusst werden: • Durchflussgeschwindigkeit
• Querschnitt der Reaktorelemente
• Höhe der Reaktorelemente
• Anzahl und Beschaffenheit der eingebrachten, nicht gasförmigen Stoffe Beschaffenheit, Anzahl, Dichte und Druck der eingeblasenen Gase • Die Anzahl der in mäanderartiger Führung verbundenen Reaktorelemente
• Die Möglichkeit Prozessabgase auszubringen
• Prozesstemperaturen
• Verweildauer und Stellung zu Licht
• Verweildauer in Reifungstanks und oder Dunkeltanks
Für den gesamten Prozess ist gegebenenfalls im Idealfall und bei entsprechender baulicher Gegebenheit ein einmaliges kontinuierliches Transportieren des Mediums vom Einlass zum Auslass möglich.
Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die, vorzugsweise serienmäßig miteinander verbundenen, Reaktorpanele in einer rahmenartigen Aufnahmeeinrichtung parallel zueinander, vorzugsweise fest montiert, zu einem Reaktor angeordnet und der Reaktor ist über mindestens eine, vorzugsweise vertikale, Achse mit einer Dreheinrichtung zur Lichteinstrahlung verstellbar, wobei der Reaktor insbesondere stehend, hängend oder schwimmend auf einem Auftriebskörper vorgesehen ist. Durch eine derartige Aufnahmeeinrichtung und eine derartige Lagerung kann ein beliebiger Winkel zur Sonneneinstrahlung eingenommen werden. Durch eine Steuerung entsprechende dem Sonnenverlauf bzw. der Sonnennachfolge wird eine Lichtoptimierung erzielt. Für bestimmte Anwendungen kann beispielsweise eine verminderte Exposition in der Mittagszeit durch Abwenden oder Beschatten durchgeführt werden.
Da phototrophe Mikroorganismen nur in der Zone nah an der Oberfläche einen optimalen photosynthetischen Prozess durchlaufen und zur Nahrungsaufnahme und zur Teilung durch zu viel UV-Strahlung beeinträchtigt werden, ist es von Vorteil, innerhalb des Reaktorelementes sowohl an die Außenzone als auch ins Innere geführt zu werden.
Zu intensives, direkt einstrahlendes UV-Licht schädigt oder beeinträchtigt das Wachstum der Mikroorganismen und erhöht die Temperatur des Reaktionsmediums über das ideale Maß, welcher wieder gekühlt werden muss. Durch die Durchmischung des Reaktionsmediums gelangen alle phototrophen Mikroorganismen ausreichend an die mit Licht durchflutete, außenwandnahe Lichtzone des Reaktorelementes.
Bei der photokatalytischen Oxidation ist es von Vorteil, wenn alle Moleküle innerhalb des Reaktorelementes an die Licht durchflutete, außenwandnahe Lichtzone des Reaktorelementes geführt werden.
Eine nahezu Parallelstellung zur Lichtquelle bzw. ein paralleles Folgen der Sonneneinstrahlung des Reaktors wird meist ausreichen und somit wird eine massiv bessere Platznutzung möglich.
Weiters wird nahezu parallel eingestrahltes Licht von der Reaktoroberfläche teilweise reflektiert und steht dem gegenüberliegenden Reaktor zur Verfügung. Bei schwacher Sonnenstrahlung, schlechter geografischer Lage oder bei besonders Licht bedürftigen phototrophen Mikroorganismen oder photokatalytischen Prozessen kann eine der Lichtquelle zugewandte Stellung des Reaktors in beliebigem Winkel gewählt werden.
In der bevorzugten Variante, Biosolarreaktoren die Sonnennachfolge zu ermöglichen, werden diese oben und gegebenenfalls unten im Solarbauteil fest angebracht, so dass, wenn der Solarbauteil der Sonneneinstrahlung folgt, die Reaktorpanele ihre Position zueinander nicht verändern, sondern der gesamte Solarbauteil gedreht wird. Die Reaktorpanele, die flach, oder in Einzellrohren zusammengefügt, transparent, transluzent, beschichtet und unbeschichtet sein können, werden so angeordnet, dass sie sich zur Züchtung der Mikroorganismen, entweder chargenweise in ruhendem Kulturmedium und/oder kontinuierlich in fließendem Kulturmedium eignen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist zur Erfassung des Sonnenverlaufes ein Sensor vorgesehen, über den die Steuerung der Drehbewegung für die Lichteinstrahlung für den Reaktor erfolgt. Der Sonnenverlauf wird von einem geeigneten Sensor ermittelt und auf den Reaktor als synchrone oder beliebig definierte Drehbewegung übertragen. Natürlich könnten auch die Daten bezüglich Koordinaten, Uhrzeit und Datum zur Steuerung heran gezogen werden.
Nach einer besonderen Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Lichteinstrahlung für den Reaktor über eine künstliche Beleuchtung. Der Reaktor kann in einer Art und Weise gebaut werden, dass er mit Energie versorgt werden kann und auch das Anbringen von, für phototrophe Mikroorganismen günstige, Beleuchtungsmedien, möglich ist.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind in einer aus mehreren Reaktoren bestehenden Anlage die Drehbewegungen für die Lichteinstrahlung, vorzugsweise für alle Reaktoren, synchronisiert. In einer aus mehreren Reaktoren bestehenden Anlage, kann das Drehen aller Reaktoren der gesamten Anlage so synchronisiert werden, dass die, entsprechend einer Grundanordnung, weiter hinten liegenden Reaktoren durch eine annähernd parallele Stellung der Reaktorpanele zur Sonneneinstrahlung nicht beschattet werden. Der ideale Sonneneintrag kann dadurch gewährleistet werden.
Entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung sind mindestens Teile, insbesondere Außenflächen, der Reaktorpanele und/oder des Reaktors Licht reflektierend ausgeführt. Dadurch kann die Wirkung der natürlichen oder künstlichen Beleuchtung gesteigert werden
Nach einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung ist für die, kontinuierliche oder chargenweise, Einbringung von Zusatzstoffen, wie beispielsweise Nährstofflösungen bzw. -gasen und/oder Oxidationsmittel und/oder Wirksubstanzen und/oder den Prozess fördernde gelöste Stoffe bzw. Gase, vorzugsweise während des Prozesses, an der Reaktorunterseite, im Bereich der Umlenkung des Reaktionsmediums, mindestens ein Einbringungseinlass vorgesehen.
Das Reaktionsmedium kann wahlweise vor dem Eintritt in den Reaktor mit in Flüssigkeiten gelösten Stoffen die den Bedürfnisse der Mikroorganismen oder Anforderungen des Prozesses entsprechen, angereichert, und/oder während des Durchlaufes im Reaktor mit fluiden Nährstoffen oder Oxidationsmittel versorgt werden.
Der im photosynthetischen Prozess, durch stetes Heranwachsen der Mikroorganismen, sinkende Nährstoffgehalt im Reaktionsmedium kann durch die kontinuierliche und/oder chargenweise Einbringung einer Nährstofflösung ausgeglichen werden.
Der im photochemischen Prozess durch stetes Reagieren sinkende Wirkungsgrad im Reaktionsmedium kann ebenfalls durch die kontinuierliche und/oder chargenweise Einbringung weiterer Wirksubstanzen ausgeglichen werden. Zum Einbringen der fluiden Nährstoffe oder Oxidationsmittel wird an der Unterseite der Reaktorelemente über steuerbare Ventile eine Zufuhrmöglichkeit geschaffen. Durch die mäanderartige Führung des Reaktionsmediums und/oder durch die aufsteigenden fluiden Wirkstoffe wird für eine gute Durchmischung und Verteilung innerhalb des gesamten Reaktors gesorgt.
Natürlich können auf diese Weise auch gasförmige Nährstoffe, Oxidationsmittel oder Wirkstoffe eingebracht werden.
Die eingebrachten Gase bewirken, durch das Aufsteigen der Gasbläschen, ein Selbstreinigen der Reaktorinnenfläche. Eine Entnahmestelle für Proben, um den Prozessfortschritt zu überprüfen ist ebenfalls unten am Reaktorelement vorgesehen.
Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung sind zur Einbringung von Zusatzstoffen im Bereich der Umlenkung im Reaktorelement und/oder im Reaktorpanel Bohrungen für die Anordnung eines, vorzugsweise durchgehenden, Rohres, insbesondere eines Gasrohres mit Mikrobohrungen, vorgesehen. Das Gasrohr hat die Anordnung der Bohrungen in einer Weise, dass das Begasen und Durchmischen des Reaktormediums in jedem Reaktorelement des Reaktorpaneies gewährleistet ist.
Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung weist das Gasrohr im Bereich des von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums eine größere Anzahl und/oder einen größeren Durchmesser aufweisende Mikrobohrungen als im Bereich des von oben nach unten bzw. in Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums auf. Damit wird einrichtungstechnisch der weiter oben genannte „Gaslifteffekt" erreicht.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist das Gasrohr an beiden Enden ein Außen- und/oder ein Innengewinde auf. Die Gasrohre sind beispielsweise derart ausgeführt, dass sie durch eine Überwurfmutter gasdicht mit der Baugruppe abschließen können. Wenigstens einer dieser Überwurfmuttern ist mit einem Anschluss für eine Gasleitung versehen.
Weiters kann das Gasrohr über sein Innengewinde mit einem Verbindungsstück versehen sein, das an ein weiteres Gasrohr geschraubt werden kann.
Zum Wechseln wird an einer Seite die Überwurfmutter abgeschraubt, das Verbindungsstück angebracht und das neue Gasrohr an das andere Ende des Verbindungsstückes angebracht. Mit dem neuen Gasrohr wird das zu tauschende Gasrohr durch die Baugruppe geschoben und nimmt dabei gleichzeitig seine Stelle ein. So wird gewährleistet, dass bei minimalem Gasverlust oder Flüssigkeitsverlust das zu wechselnde Gasrohr mit dem neuem Gasrohr durch die Baugruppe geschoben wird. Diese Ausführung ermöglicht ein Warten oder Verändern der Eingasvorrichtung ohne Betriebsunterbrechung bzw. einer nur minimalen Beeinträchtigung des Prozesses.
Gemäß einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung ist zur Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten, wie beispielsweise Sauerstoff, vorzugsweise während des Prozesses, ein Ausbringungsauslass vorgesehen, der über der Reaktionsmediums-Oberfläche bzw. über der Oberseite der Reaktorelemente vorgesehen ist. Gasförmige Prozessprodukte, wie Stoffwechselprodukte, die im photosynthetischen oder photochemischen Prozess entstehen, können durch die Druckfreiheit im Reaktorelement frei im Reaktionsmedium aufsteigen.
Durch die ganz oder teilweise nach oben hin offene Konstruktion des
Reaktorelementes ist ein Entweichen und/oder Absaugen der gasförmigen Prozessprodukte möglich.
Die Prozess-Abgas-Ausbringung wird durch die im Prozess entstehenden, aufsteigenden Bläschen gefördert und/oder durch zusätzlich eingeblasene Gase gegebenenfalls gesteuert. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist zur Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten eine über der Reaktionsmediums-Oberfläche bzw. über der Oberseite der Reaktorelemente vorgesehene Sammeleinrichtung mit einem Ausbringungsauslass vorgesehen. Dadurch können die gasförmigen Prozessprodukte gesammelt und gegebenenfalls einer weiteren Verwertung oder Entsorgung zugeführt werden. Auch ein Verlust von Reaktionsmedium durch Verdunstung und/oder durch Spritzverlust und ein kontrolliertes Austragen und Sammeln von Gasen ist durch eine geschlossen Bauweise möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vor dem Einlass und/oder nach dem Auslass ein Sifon vorgesehen. Der Zufluss, zum Reaktor ist im oberen Bereich angesetzt. Das Reaktionsmedium kann durch ein Sifon dem ersten Reaktorelement druckfrei bzw. drucklos und gegebenenfalls gasdicht zugeführt werden und durch einen weiteren Sifon nach dem Reaktor, drucklos und gegebenenfalls gasdicht abgeführt werden.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung ist zum Transport des Reaktionsmediums sowohl innerhalb des Reaktors als auch zwischen Reaktoren eine Archimedische Schraube oder eine Spirale nach Da Vinci vorgesehen. Bei einer derartigen Einrichtung sind auf einer Achse einmalig oder mehrfach gelagert ein oder mehrere Schläuche oder Stege spiralförmig aufgewickelt und in einer beliebigen Technik, beispielsweise geschraubt, verklebt, etc., stabil befestigt. Der oder die jeweiligen Schläuche oder Stege sind an beiden Enden offen. Das Transportelement ist so ausgerichtet und gelagert, dass das untere Ende der Schläuche oder Stege Reaktionsmedium aus einem Behältnis schöpft.
Schläuche oder Stege sind jedoch nur soweit ins Reaktionsmedium getaucht, das bei jeder Umdrehung das Schlauchende oder der Steg außerhalb des Reaktionsmediums über die Oberfläche gelangt.
Durch eine langsame Drehung in Spiralrichtung, die keine wesentlichen Zentrifugalkräfte erzeugt, wird das Reaktormedium unter Ausnutzung des hydrostatischen Druckausgleiches in den jeweiligen unteren Hälften der Schläuche oder Stege ans obere Ende der Schraube transportiert. Bei jeder Drehung wird die, in der zuoberst gelegen Halbwindung befindliche Flüssigkeit freigegeben und fällt in ein gegenüber dem Ausgangsbehältnis höher gelegenes Behältnis. Durch wahlweise ganzes oder teilweises Verschließen der Transportvorrichtung kann Spritzverlust und oder Gasaustritt vermieden werden.
Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen Bioreaktor bestehend aus Röhren,
Fig. 2 eine Draufsicht gemäß Fig. 1 ,
Fig. 3 einen Seitenriss gemäß Fig. 1 ,
Fig. 4 einen Bioreaktor bestehend aus Stegplatten,
Fig. 5 eine Draufsicht gemäß Fig. 4, Fig. 6 einen Seitenriss gemäß Fig. 4,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Röhre,
Fig. 8 eine Prinzipskizze für den „Gaslift"-Effekt,
Fig. 9 und 10 Prinzipskizzen von Anwendungen des „Gasliff-Effektes
Fig. 11 einen Bioreaktor mit einer Archimedischen Spirale, Fig. 12 einen Biosolarreaktor,
Fig. 13 und 14 eine schematische Darstellung der Sonneneinstrahlung auf den
Bioreaktor.
Gemäß der Fig. 1 bis 3 besteht ein Reaktor, insbesondere ein Biosolarreaktor 1 , aus mindestens einem Reaktorelement 2, das aus zwei aufrechten, unten verbundenen Röhren 3 gebildet ist. Ein Einlass 4 sowie auch ein Auslass 5 sind am oberen Reaktorrand vorgesehen. Für den Aufbau eines Biosolarreaktors 1 werden eine Vielzahl an Reaktorelementen 2 in Serie geschaltet, wobei immer ein Auslass 5 mit einem Einlass 4 verbunden ist.
Ein derartiger Biosolarreaktor 1 wird für ein Verfahren für einen photochemischen, wie photokatalytischen und/oder photosynthetischen Prozess, insbesondere für eine Zucht und Produktion bzw. Hydrokultivierung von, vorzugsweise phototrophen, Mikroorganismen eingesetzt. Für seinen Betrieb wird der Biosolarreaktor 1 mit einem Reaktionsmedium 6, beispielsweise einer wässerigen Lösung oder einer Suspension, gefüllt. Im Betrieb wird der Biosolarreaktor 1 nur mehr über seinen ersten Einlass 4 gespeist. Die Führung bzw. Flussrichtung des Reaktionsmediums 6 erfolgt aufrecht, vorzugsweise senkrecht, einmal von oben nach unten und von unten nach oben in einem Reaktorelement 2. Bei einer Hintereinanderschaltung von mehreren Reaktorelementen 2, die miteinander verbunden sind, fließt das Reaktionsmedium 6 mäanderförmig durch den Reaktor. Sowohl die Einbringung bzw. Einspeisung als auch die Ausbringung des Reaktionsmediums 6 in bzw. aus dem Biosolarreaktor 1 , erfolgt vorzugsweise kontinuierlich, drucklos und frei zur Atmosphäre über die obere Reaktionsmediums-Oberfläche bzw. knapp über dem oberen Flüssigkeitsspiegel oder im Bereich des oberen Flüssigkeitsspiegels.
Die Reaktorelemente 2, sind somit mäanderartig als kommunizierende Röhren 3 miteinander verbunden, wobei der Einlass 4 und der Auslass 5 oben liegen. Die Reaktorelemente 2 sind ganz oder teilweise, je nach Bedarf, nach oben hin offen. Auf Grund des hydrostatischen Druck- und Niveauausgleichs erfolgt über die Einspeisung von Reaktionsmedium 6 am Einlass 4 eine Strömung des Reaktionsmediums 6. Für das Verfahren bedeutet das, dass für die
Mikroorganismen eine stressfreie Strömung des Reaktionsmediums 6 erzeugt wird. Dadurch wird ein freies Fließen zwischen den einzelnen Reaktorelementen 2 ermöglicht, ohne das weitere Energie zugeführt werden muss. Das Reaktionsmedium 6 bewegt sich, im Bestreben der Flüssigkeit den Höhenunterschied zwischen Einlass 4 und Auslass 5 auszugleichen, mit minimalem Höhenverlust mäanderartig durch den Reaktor.
Gemäß den Fig. 4 bis 6 ist eine alternative Bauart eines Biosolarreaktors 1 aufgezeigt. Dieser Biosolarreaktor 1 , besteht aus Steg- bzw. Stegmehrfachplatten 7. Bei dieser Bauart besteht ein Reaktorelement 2 aus zwei, vorzugsweise rechteckigen, aufrechten, aus den Steg- bzw. Stegmehrfachplatten 7 gebildeten Kammern 8, die durch eine Trennwand 9, die am Boden offen ist, gebildet ist. Sowohl der Einlass 4 für die Einbringung bzw. Einspeisung als auch der Auslass 5 ist am oberen Reaktorrand vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 4 sind bereits zwei Reaktorelemente 2 verbunden.
Bei einer Verbindung von zwei oder mehr Reaktorelementen 2 ist deren Trennwand 10 niedriger als die Trennwand 9 zwischen den Röhren 3 bzw.
Kammern 8 eines Reaktorelementes 2 ausgebildet. Dadurch entsteht ein Überlauf bzw. eine kommunizierende Öffnung, wenn der Flüssigkeitsstand in den Reaktorelementen 2 höher als die Trennwand 10 zwischen den Reaktorelementen 2 ist. Dadurch wird der Energieverbrauch minimiert, indem auf Pumpen zwischen den Prozessschritten weitestgehend verzichtet werden kann und beliebig viele gleich oder verschiedene Prozessschritte in selber Durchflusshöhe aneinander gekoppelt werden können.
Die einzelnen Reaktorelemente 2 können transparent oder transluzent oder bei Bedarf auch lichtdicht ausgeführt sein. Als Materialien können sowohl Glas oder UV-durchlässiger Kunststoff, wie z.B. Polymethylmethacrylat Verwendung finden.
Die Befüllung sowie der Betrieb des Biosolarreaktors 1 erfolgen analog den Ausführungen zu den Fig. 1 bis 3.
In Hinblick auf die Lichteinstrahlung auf die Reaktorelemente 2 - auf die noch später näher eingegangen wird - ist gemäß der Fig. 6 ein geneigter Reaktor gezeigt. Trotzdem, dass der Reaktor in einem Winkel geneigt ist, fließt das Reaktionsmedium 6 einmal von oben nach unten bzw. in Richtung Schwerkraft und von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft.
Gemäß der Fig. 1 und der Fig. 4 ist für die, kontinuierliche oder chargenweise, Einbringung von Zusatzstoffen 12, wie beispielsweise Nährstofflösungen bzw. - gasen und/oder Oxidationsmittel und/oder Wirksubstanzen und/oder den Prozess fördernde gelöste Stoffe bzw. Gase, vorzugsweise während des Prozesses, an der Reaktorunterseite, im Bereich der Umlenkung des Reaktionsmediums 6, mindestens ein Einbringungseinlass 11 , beispielsweise ein steuerbares Ventil, vorgesehen. Entsprechend dem Verfahren wird das Reaktionsmedium 6 wahlweise vor dem Eintritt in den Reaktor mit CO2 oder anderen Gasen gesättigt, der Sättigungsgrad wird den Bedürfnissen des Prozesses entsprechend angereichert und /oder während des Verweilen im Reaktor mit CO2 anderen Gasen versorgt. Der im photosynthetischen Prozess, durch stetes Heranwachsen der
Mikroorganismen, sinkende CO2 Gehalt im Reaktionsmedium 6 kann durch die kontinuierliche oder gepagte Einbringung von CO2 ausgeglichen werden.
Der im photochemischen Prozess, durch stetes Reagieren sinkende Wirkungsgrad im Reaktionsmedium kann durch die, kontinuierliche und/oder chargenweise, Einbringung weiterer Wirkgase ausgeglichen werden.
Durch die Einbringung der Zusatzstoffe am unteren Ende der Flüssigkeitssäule über die Einbringungseinlässe 11 gemäß der Fig. 7 erfolgt eine Durchmischung und gleichmäßige Verteilung der Zusatzstoffe im Reaktionsmedium 6.
Das Einbringen von Zusatzstoffen 12, wie Fluide und Gase optimiert weiters die Versorgung mit Licht, da durch die somit entstehende Verwirbelung im Reaktionsmedium 6 alle Moleküle oder phototrophen Mikroorganismen ausreichend an die mit Licht durchflutete, außenwandnahe Lichtzone - angedeutet mit den Pfeilen 13 - des Reaktorelementes 2 geführt werden.
Die Einbringung von Fluiden und Gasen erzeugt eine Verwirbelung im Reaktionsmedium 6, wodurch ein weiterer vorteilhafter Effekt zum Tragen kommt, nämlich dass durch das Aufsteigen der Gasbläschen eine kontinuierliche Reinigung der Reaktorinnenflächen bewirkt wird.
Ferner kann auch durch definiert eingebrachten Fluide und Gase eine Erwärmung oder Abkühlung des Reaktionsmediums 6 erfolgen. Die eingebrachten Zusatzstoffe 12 können somit zum kontrollierten Temperieren des Reaktionsmediums 6 herangezogen werden. Gemäß der Fig. 8 wird die Einbringung von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen bzw. Zusatzstoffen 12 an der Unterseite im Bereich der Umlenkung des Reaktionsmediums 6 durchgeführt. Bei einer besonderen Ausführungsform des Reaktors wird im Bereich des von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums 6 eine größere Menge von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen bzw. Zusatzstoffen 12 eingebracht als im Bereich des von oben nach unten bzw. in Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums 6. Dadurch wird - wie bereits angesprochen, entsprechend der Arbeitsweise einer Mammutpumpe - der Flüssigkeitsspiegel in der von unten nach oben durchflossenen Röhre 3 oder Kammer in einer Art „Gaslifteffekt" gegenüber der von oben nach unten durchflossenen Röhre 3 bzw. Kammer angehoben. Diese Differenz des Flüssigkeitsspiegels a kann bei einer oftmaligen Hintereinanderschaltung von Reaktorelementen 2 mit vermehrter Gaseinbringung in jede aufsteigende Röhre 3 zu einem Anstieg des Flüssigkeitsspiegels am Ende der letzten Röhre 3 bzw. Kammer gegenüber der ersten Röhre 3 oder Kammer führen, wenn die Konstruktion des Reaktors den Anstieg des Flüssigkeitsspiegel berücksichtigt. Trotz dieser vermehrten Einbringung von, vorzugsweise gasförmigen, Zusatzstoffe 12 erfolgt ein stressfreier Transport der Mikroorganismen.
Gemäß der Fig. 9 berücksichtigt eine Konstruktion des Reaktors, bei gleicher baulicher Ausführung der hintereinander geschalteten Reaktorelemente 2, diesen Anstieg beispielsweise, wenn die Grundbasis des Reaktors im selben Ausmaß ansteigend ist.
Die Stellung von Reaktorpanelen 18 in einem Winkel längs der Panelachse, ergibt in Anwendung des „Gaslifteffektes" folgenden Vorteil:
Das Medium wird in der Einlassöffnung 4 in ein Reaktorpanel 18 eingebracht, welches sich in einem Winkel, längs der Panelachse neigt, so dass der Einlass 4 tiefer als der Auslass 5 liegt. Durch den „Gaslifteffekt", der in jeder zweiten Röhre des Reaktorpaneies 18 wirkt, wird eine höhere Wassersäule erzeugt und das Medium kann trotz der größeren Höhe in die nächste Röhre überfließen und so ansteigend, kommunizierende Gefäße bilden.
Die Neigung ist maximal in einem Winkel angelegt, der nicht zu einem rückwärtigen Überfließen der Stege 9 führt, die die beiden Flüssigkeitssäulen innerhalb eines Reaktorelementes 2 trennt.
Bei Überschreiten des maximal möglichen Winkels würde das Medium, nach dem Passieren der Röhre 3, in dem es gegen die Schwerkraft fließt, über den Steg 9 hinweg wieder in die Röhre zurück fließen, aus der es zuvor gekommen ist, und somit einen geschlossenen Kreislauf mit Gasliftumwälzung erzeugen.
Durch ein Variieren der Neigung des Reaktorpaneies 18 und von Gasdruck oder Gasmenge kann die erwünschte Steigung des „Gaslifteffektes" reguliert werden, wodurch sich ein Kontrollieren der Fließgeschwindigkeit mit zunehmender Höhe der oberen Flüssigkeitskante ergibt.
Im einem weiteren Anwendungsfall (Fig. 10), wenn es nicht zum „Gaslifteffekt" kommt, da kein oder wenig Gaseintrag stattfindet, kann die Fließgeschwindigkeit ebenfalls durch Neigen in einem Winkel gesteuert werden.
Das Reaktionsmedium 6 wird im Einlass 4 in ein Reaktorpanel 18 eingebracht, welches sich in einem Winkel, längs der Panelachse neigt, so dass der Einlass 4 höher als der Auslass 5 liegt.
Zwar wirkt der hydrostatische Niveauausgleich immer noch zwischen den einzelnen Reaktorelementen 2, jedoch entsteht innerhalb der einzelnen Reaktorelemente 2 eines Reaktorpaneies 18 jeweils ein kleines Gefälle, welches sich beschleunigend auf die Fließgeschwindigkeit durch das Reaktorpanel 18 auswirkt.
Die Neigung kann maximal in einem Winkel angelegt werden, der nicht zu einem Überfließen der Stege 9, in der Richtung vom Einlass 4 zum Auslass 5, führt, die die Flüssigkeitssäulen innerhalb eines Reaktorelementes 2 trennen, da dann keine Strömung in den Röhren 3 erzeugt wird, sondern das Medium nur noch oberhalb über die Stege 9 hinweg fließen würde und das Medium in den Reaktorelementen 2 zum Stillstand kommen würde.
Durch ein Variieren der Neigung des Reaktorpaneies 18 und des Gasdruckes/Gasmenge kann das erwünschte Gefälle reguliert werden, wodurch sich ein Kontrollieren der Fließgeschwindigkeit mit abnehmender Höhe der oberen Flüssigkeitskante ergibt.
So könnte also der „Gaslifteffekt" in nachstehenden Beispielen genützt werden:
Nutzen des Anstieges der oberen Wasserkante:
- zusätzliche Höhe für Absetztanks - zusätzliche Höhe um Fließstrecken zwischen Reaktoren untereinander oder zwischen Prozessschritten zu überwinden
- Betrieb eines Hydrozyklons durch herab fließendes Wasser
- Durchlaufen von Filtern
- Abtrennen von Produkten vom Reaktionsmedium - Durchlaufen von Aufbereitungsanlagen zum wieder Verwenden des Mediums ohne innerhalb der gesamten Anlage zusätzliche Energie für Pumpen aufzuwenden
Nutzen des Gleichbleibens der oberen Wasserkante: - kein zu überwindender Höheverlust in dieser Phase des Prozesses
- gute Kontrolle der Fließgeschwindigkeit
- mäßige Verwirbelung (Lichtzufuhr und Profilaxe einer Filmbildung) und ökonomischer Betrieb wenn im Prozess gerade wenig Gas benötigt wird
Nutzen des geringfügigen Absenkens der oberen Wasserkante:
- kein großer zu überwindender Höheverlust in dieser Phase des Prozesses (nachgeschalteter Gaslift)
- gute Kontrolle der Fließgeschwindigkeit - mindestnötige Eingasung für Verwirbelung (Lichtzufuhr und Profilaxe einer Filmbildung) und damit ökonomischer Betrieb, wenn im Prozess gerade kein Gas benötigt wird
Es wird angestrebt, die gesamte Anlage so zu steuern, das außer dem Gaslift an ökonomisch sinnvoller Stelle, innerhalb der gesamten Anlage keine zusätzliche Energie für den Fluss des Mediums aufzuwenden ist.
Zur Einbringung der Zusatzstoffe 12 im Bereich der Umlenkung im Reaktorelement 2 und/oder im Reaktorpanel 18 sind Bohrungen 20 für die Anordnung eines, vorzugsweise durchgehenden, Rohres, insbesondere eines Gasrohres 21 mit Mikrobohrungen 22, vorgesehen. Zur vermehrten Einbringung der gasförmigen Zusatzstoffe 12 weist das Gasrohr 21 im Bereich des von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums 6 eine größere Anzahl und/oder einen größeren Durchmesser aufweisende Mikrobohrungen 22 als im Bereich des von oben nach unten bzw. in Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums 6 auf.
Für einen raschen Wechsel des Gasrohres 21 (Fig. 8) weist es an beiden Enden ein Außen- und/oder ein Innengewinde 23 auf. Die Gasrohre 21 sind beispielsweise derart ausgeführt, dass sie durch eine Überwurfmutter gasdicht mit der Baugruppe abschließen können. Wenigstens eine dieser Überwurfmuttern ist mit einem Anschluss für eine Gasleitung versehen.
Weiters kann das Gasrohr über sein Innengewinde mit einem Verbindungsstück 24 versehen sein, das an ein weiteres Gasrohr 21 geschraubt werden kann.
Zum Wechseln wird an einer Seite die Überwurfmutter abgeschraubt, das Verbindungsstück 24 angebracht und das neue Gasrohr 21 an das andere Ende des Verbindungsstückes 24 angebracht. Mit dem neuen Gasrohr 21 wird das zu tauschende Gasrohr 21 durch die Baugruppe geschoben und nimmt dabei gleichzeitig seine Stelle ein. So wird gewährleistet, dass bei minimalem Gasverlust oder Flüssigkeitsverlust das zu wechselnde Gasrohr 21 mit dem neuem Gasrohr 21 durch die Baugruppe geschoben wird. Diese Ausführung ermöglicht ein Warten oder Verändern der Eingasvorrichtung ohne Betriebsunterbrechung bzw. einer nur minimalen Beeinträchtigung des Prozesses.
Als alternative oder zusätzliche Möglichkeit zum oben aufgezeigtem „Gaslift" kann gemäß der Fig. 11 der Biosolarreaktor 1 mit einer Archimedischen Schraube 14 versehen sein. Die Archimedische Schraube 14 oder eine Spirale nach Da Vinci dient zum Transport des Reaktionsmediums 6 sowohl innerhalb des Reaktors als auch zwischen Reaktorteilen oder Reaktoren. Vor dem Einlass 4 und nach dem Auslass 5 ist je ein Sifon 15 vorgesehen.
Natürlich können die Sifone 15 auch unabhängig von der Archimedischen Schraube 14 vor dem Einlass 4 bzw. nach dem Auslass 5 aus dem Reaktor angeordnet werden. Das Reaktionsmedium 6 kann durch einen Sifon 15 dem ersten Reaktorelement 2 druckfrei bzw. drucklos zugeführt werden.
Die Archimedische Schraube 14 oder eine Spirale nach Da Vinci wird bei dem Verfahren für kontinuierliche photokatalytische und photosynthetische Prozesse und Transporte in Biosolarreaktoren 1 bevorzugt eingesetzt. Insbesondere dann, wenn der Transport des Reaktionsmediums 6 die Überwindung von
Höhendifferenzen verlangt. Mit einem Einsatz der Archimedischen Schraube 14 oder der Spirale nach Da Vinci gelingt ein- oder auch mehrmaliger stressfreier Transport. Für folgende Anwendungen könnte diese Einrichtung zum Einsatz kommen: • Transport, zum mehrmaligen Durchlaufen des Reaktionsmediums 6, durch denselben Reaktor.
• Transport zwischen einer Reihe von, gegebenenfalls verschiedenen, Reaktoren und/oder Reifungstanks, die einmal oder mehrmals, durchlaufen werden. • Ein oder mehrmaliges Transportieren eines Reaktionsmediums 6 wechselweise zwischen einem Tank und einem beliebigen Bioreaktor.
• Ein oder mehrmaliger Transport eines Reaktionsmediums zwischen Tanks. Wie bereits kurz angerissen, kann nach und/oder vor dem Biosolarreaktor 1 ein - nicht dargestellter - Reifungstank für insbesondere einen kontinuierlichen, photochemischen oder photosynthetischen Prozess vorgesehen werden. Der hydrostatischen Reifungstank ist bauartähnlich wie der hydrostatische Bioreaktor mit mäanderartigen Reaktorelementen 2 ausgestattet, die eine aufrechtes durchfließen ermöglichen. Der Reifungstank kann aus lichtundurchlässigem Material beschaffen sein, da phototrophen Mikroorganismen in der Ruhephase nur die richtige Temperatur Nährstoffe und Gelegenheit zum Austragen von Stoffwechselabfall benötigen können. Weiters kann ein, im Verhältnis zum Bioreaktor, größerer Querschnitt in den Reaktorelementen 2 eingesetzt werden um die Ruhezeit zu regulieren und um Platz zu sparen.
Der gewünschte weitestgehend druckfreie bzw. drucklose Transport des Reaktionsmediums 6 wird folgend erreicht: Das Reaktionsmedium 6 ist während des gesamten Transports keinem weiteren Druck, als jenem ausgesetzt, der innerhalb des Transportelementes durch das Eigengewicht des Reaktionsmediums 6 entsteht. Durch eine geringe Drehzahl wird das Reaktionsmedium 6 keinen nennenswerten Zentrifugalkräften ausgesetzt. Die Entwicklung der Mikroorganismen oder der Ablauf des Prozesses wird durch den Transport nicht unterbrochen oder gestört. Durch die Nutzung des hydrostatischen Druckausgleiches in einer „Archimedischen Schraube" oder in einer Spirale nach Da Vinci bleibt die Druckfreiheit gewahrt. Die Prozesse können frei von Stress, Beschleunigung und Druck ablaufen.
Das Reaktionsmedium 6 ist während des gesamten Transports keiner höheren Appression, als jener ausgesetzt, der innerhalb des Transportelementes durch das freie Fließen des Reaktionsmediums entsteht. Die Entwickelung der Mikroorganismen oder der Ablauf des Prozesses wird durch den Transport nicht unterbrochen oder gestört. Abriebverletzungen und Beschädigung der Zellwände der Mikroorganismen oder Moleküle wie durch Pumpen werden ausgeschlossen. Durch die Nutzung des hydrostatischen Druckausgleiches in einer Archimedischen Schraube oder in einer Spirale nach Da Vinci bleibt die Appressionsfreiheit gewahrt. Zur Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten, wie beispielsweise Sauerstoff, vorzugsweise während des Prozesses, ist ein Ausbringungsauslass 16 vorgesehen, der über der Reaktionsmediums-Oberfläche bzw. über der Oberseite der Reaktorelemente vorgesehen ist. Zur Ausbringung dieser gasförmigen Prozessprodukte kann eine über dem Flüssigkeitsspiegel des Reaktionsmediums 6 bzw. über der Oberseite der Reaktorelemente vorgesehene Sammeleinrichtung 17 mit dem Ausbringungsauslass16 vorgesehen sein.
Gemäß der Fig. 12 kann der Biosolarreaktor 1 zur Lichteinstrahlung verstellbar ausgeführt werden. Bei schwacher Sonnenstrahlung, schlechter geografischer Lage oder bei besonders Licht bedürftigen phototrophen Mikroorganismen oder photokatalytischen Prozessen wird der Biosolarreaktor 1 entsprechend der Sonneneinstrahlung über den gesamten Bogen des horizontalen Sonnenverlaufes drehbar geführt oder gesteuert.
Die, vorzugsweise serienmäßig miteinander verbundenen, Reaktorpanele 18 sind in einer rahmenartigen Aufnahmeeinrichtung 25 nahezu parallel zueinander, vorzugsweise fest montiert, zu einem Reaktor angeordnet. Der Biosolarreaktor 1 ist über mindestens eine, vorzugsweise vertikale, Achse 26 mit einer Dreheinrichtung zur Lichteinstrahlung verstellbar, wobei der Reaktor insbesondere stehend, hängend oder schwimmend auf einem Auftriebskörper vorgesehen sein kann.
Zur Erfassung des Sonnenverlaufes kann ein Sensor oder das Nutzen von Daten bezüglich Koordinaten, Uhrzeit, und Datum vorgesehen sein, über den die
Steuerung der Drehbewegung für die Lichteinstrahlung für den Reaktor erfolgt.
Der Ordnung halber muss festgehalten werden, dass die Lichteinstrahlung für den Reaktor auch über eine künstliche Beleuchtung erfolgen kann.
In einer aus mehreren Reaktoren bestehenden Anlage können die Drehbewegungen für die Lichteinstrahlung, vorzugsweise für alle Reaktoren, synchronisiert werden. Auch können zur besseren Ausnutzung der Lichtstrahlen mindestens Teile, insbesondere Außenflächen, der Reaktorpanele 18 und/oder des Reaktors Licht reflektierend ausgeführt sein.
Gemäß der Fig. 13 ist ein aus Reaktorelementen 2 gebildetes Reaktorpanel 18 derart angeordnet, dass die - schematisch angedeuteten - Licht- bzw. Sonnenstrahlen 19 in einem annähernd rechten Winkel zur Panelachse auftreffen.
Gemäß der Fig. 14 sind mehrere, vorzugsweise miteinander verbundene, Reaktorpanele 18 vorgesehen, die derart angeordnet sind, dass die Licht- bzw. Sonnenstrahlen 19 nahezu parallel zu den Solarpanelachsen verlaufen.
Bei einer speziellen Ausführungsvariante sind die Reaktorpanele 18 aufrecht hängend und/oder stehend in eine obere und/oder untere Halterung bzw. in die Aufnahmeeinrichtung 25 eingebracht.
Diese Halterung bzw. Aufnahmeeinrichtung 25 kann folgende Funktionen erfüllen:
• Die Funktion als Drehelement, um der Sonneneinstrahlung zu folgen.
• Den Reaktor in Bezug zu anderen Teilen einer Gesamtanlage anzuheben oder zu senken. • Die Kippfunktion um den Reaktor zur Sonne hin zu neigen.
• Den Reaktorpanelen 18 halt zu geben.
• Die Reaktorpanele 18 mäanderartig miteinander zu verbinden.
• Die einzelnen Reaktorelemente gasdicht verschließen zu können.
• Wenigstens ein Reaktorpanel 18 in einem Winkel, längs der Panelachse, zu neigen.
Diese Halterung kann, wenigstens zwei bis beliebig viele, Reaktorpanele 18 zu einem Reaktor aufnehmen.
Dies ermöglicht ein enges Stellen und oder hintereinander Stellen von Reaktoren, was eine maximale Platznutzung erlaubt.
Das Verfahren ermöglicht ein optimales kombinieren von Reaktionsphasen unter Licht und Ruhephasen im Dunkel sowie einen stressfreien Transport. So wird ein Aufbau von kontinuierlich einmalig durchlaufenden Prozessen ermöglicht oder modular, gesteuertes, mehrfaches Durchlaufen der einzelnen Teile.
Das Reaktionsmedium 6 kann vor der eigentlichen Reaktion in einem
Anreicherungstank mit Nährstoffen und Nährgasen grundversorgt werden, die die Bioreaktion von Beginn an begünstigen. Im Fall der Abwasserreinigung oder Schadstoffbeseitigung kann eine, den phototrophen Mikroorganismen maximal zumutbare Erstanreicherung mit den jeweiligen Schadstoffen im Reaktionsmedium erzeugt werden.
Das Reaktionsmedium 6 kann ideal temperiert werden und die, dem Zweck der Reaktion entsprechenden, phototrophen Mikroorganismen oder chemischen Stoffe können in einer definierten Menge eingebracht werden.
Zum Aufrechterhalten der idealen Reaktionsbedingungen können im Reaktionsmedium 6 Temperatur, Prozessfluidgehalt, Prozessgasgehalt, Umwälzung, Durchmischung, Lichtzufuhr, und Abfuhr von Stoffwechselprodukten kontrolliert und gesteuert werden.
Das oben aufgezeigte Verfahren löst nachstehende Problematiken in vorteilhafter Weise:
• Kontinuierliche photokatalytische und photosynthetische Prozesse und Transporte in Solarreaktoren
• Kontrollierter und optimierter Energieverbrauch im Prozess
• Kontrollierte und optimierte Einbringung von Nährlösungen und prozessfördernden Lösungen
• Kontrollierte und optimierte Einbringung von Nähr- und Prozessgasen • Kontrollierte und optimierte Reduktion von Schadstoffen
• Optimierte Ausbringung und Sammeln von gasförmigen Prozessprodukten
• Kontrollierte und optimierte Versorgung mit Licht
• Minimierung des Platzverbrauches durch Lichtführung • Kontrollierte und optimierte Prozesstemperatur
• Stressfreier Transport der Mikroorganismen im Reaktionsmedium 6
• Kontrollieren der Fliessgeschwindigkeit.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren für einen photochemischen, wie photokatalytischen und/oder photosynthetischen Prozess, insbesondere für eine Zucht und Produktion bzw. Hydrokultivierung von, vorzugsweise phototrophen, Mikroorganismen, wobei ein Reaktionsmedium, beispielsweise eine wässerige Lösung oder eine Suspension, mäanderförmig in einem Reaktor geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die mäanderförmige Führung des Reaktionsmedium
(6) senkrecht oder in einem Winkel geneigt mindestens einmal von oben nach unten bzw. in Richtung Schwerkraft und von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft, erfolgt und dass sowohl eine Einbringung als auch eine Ausbringung des Reaktionsmediums (6) in bzw. aus dem Reaktor, vorzugsweise kontinuierlich, drucklos und frei zur
Atmosphäre über die obere Reaktionsmediums-Oberfläche erfolgt, wobei auf Grund des hydrostatischen Druck- und Niveauausgleich eine für die Mikroorganismen stressfreie Strömung des Reaktionsmediums (6) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine, kontinuierliche oder chargenweise, Einbringung von flüssigen und/oder gasförmigen Zusatzstoffen (12), wie beispielsweise Nährstofflösungen und/oder Oxidationsmittel und/oder Wirksubstanzen und/oder den Prozess fördernde gelöste Stoffe, vorzugsweise während des Prozesses, vorzugsweise an der Unterseite, im Bereich der Umlenkung des Reaktionsmediums (6), durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Einbringung der Zusatzstoffe (12) am unteren Ende der Flüssigkeitssäule eine Durchmischung und gleichmäßige Verteilung der Zusatzstoffe (12) im Reaktionsmedium (6) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einbringbaren Zusatzstoffe (12) mit einer definierten Temperatur eingebracht werden.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen bzw. Zusatzstoffen (12) an der Unterseite im Bereich der Umlenkung des Reaktionsmediums (6) durchgeführt wird, wobei im Bereich des von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums (6) eine größere Menge von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen bzw. Zusatzstoffen (12) eingebracht wird als im Bereich des von oben nach unten bzw. in Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums (6).
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten, wie beispielsweise Sauerstoff, vorzugsweise während des Prozesses, über die Reaktionsmediums-Oberfläche erfolgt.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor entsprechend der Sonneneinstrahlung über den gesamten Bogen des horizontalen Sonnenverlaufes drehbar geführt oder gesteuert wird.
8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Reaktor, insbesondere ein Bioreaktor, bestehend aus Röhren vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor aus mindestens einem Reaktorelement (2) besteht, das aus zwei aufrechten, unten verbundenen Röhren (3) gebildet ist und dass sowohl ein Einlass (4) als auch ein Auslass (5) am oberen Reaktorrand vorgesehen ist.
9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Reaktor, insbesondere ein Bioreaktor, mit Elementen aus Steg- bzw. Stegmehrfachplatten vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor aus mindestens einem Reaktorelement (2) besteht, das aus zwei, vorzugsweise rechteckigen, aufrechten, aus den Steg- bzw. Steg mehrfach platten (7) gebildeten Kammern (8), die durch eine Trennwand (9), die am Boden offen ist, gebildet ist und dass sowohl ein
Einlass (4) als auch ein Auslass (5) am oberen Reaktorrand vorgesehen ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verbindung zu einem Reaktorpanel (18) von zwei oder mehr Reaktorelementen (2) deren Trennwand (10) niedriger als die Trennwand
(9) zwischen den Röhren (3) bzw. Kammern (8) eines Reaktorelementes (2) ausgebildet ist, wodurch ein Überlauf bzw. eine kommunizierende Öffnung entsteht, wenn der Flüssigkeitsstand in den Reaktorelementen (2) höher als die Trennwand (10) zwischen den Reaktorelementen (2) ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die, vorzugsweise serienmäßig miteinander verbundenen, Reaktorpanele (18) in einer rahmenartigen Aufnahmeeinrichtung (25) parallel zueinander, vorzugsweise fest montiert, zu einem Reaktor angeordnet sind und der Reaktor über mindestens eine, vorzugsweise vertikale, Achse (26) mit einer
Dreheinrichtung zur Lichteinstrahlung verstellbar ist, wobei der Reaktor insbesondere stehend, hängend oder schwimmend auf einem Auftriebskörper vorgesehen ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zur
Erfassung des Sonnenverlaufes ein Sensor vorgesehen ist, über den die Steuerung der Drehbewegung für die Lichteinstrahlung für den Reaktor erfolgt.
13. Einrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Lichteinstrahlung für den Reaktor über eine künstliche Beleuchtung erfolgt.
14. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einer aus mehreren Reaktoren bestehenden Anlage die Drehbewegungen für die Lichteinstrahlung, vorzugsweise für alle Reaktoren, synchronisiert sind.
15. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens Teile, insbesondere Außenflächen, der Reaktorpanele (18) und/oder des Reaktors Licht reflektierend ausgeführt sind.
16. Einrichtung nach einem oder mehreren der Anspruch 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass für die, kontinuierliche oder chargenweise, Einbringung von Zusatzstoffen (12), wie beispielsweise Nährstofflösungen bzw. -gasen und/oder Oxidationsmittel und/oder Wirksubstanzen und/oder den Prozess fördernde gelöste Stoffe bzw. Gase, vorzugsweise während des Prozesses, an der Reaktorunterseite, im Bereich der Umlenkung des Reaktionsmediums, mindestens ein Einbringungseinlass (11) vorgesehen ist.
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur
Einbringung von Zusatzstoffen im Bereich der Umlenkung im Reaktorelement (2) und/oder im Reaktorpanel (18) Bohrungen (20) für die Anordnung eines, vorzugsweise durchgehenden, Rohres, insbesondere eines Gasrohres (21) mit Mikrobohrungen (22), vorgesehen sind.
18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasrohr (21) im Bereich des von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums (6) eine größere Anzahl und/oder einen größeren Durchmesser aufweisende Mikrobohrungen als im Bereich des von oben nach unten bzw. in Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums (6) aufweist.
19. Einrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasrohr (21 ) an beiden Enden ein Außen- und/oder ein Innengewinde (23) aufweist.
20. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten, wie beispielsweise Sauerstoff, vorzugsweise während des Prozesses, ein Ausbringungsauslass (16) vorgesehen ist, der über der Reaktionsmediums- Oberfläche bzw. über der Oberseite der Reaktorelemente (2) vorgesehen ist.
21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten eine über der Reaktionsmediums-Oberfläche bzw. über der Oberseite der Reaktorelemente vorgesehene Sammeleinrichtung (17) mit einem
Ausbringungsauslass (16) vorgesehen ist.
22. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einlass (4) und/oder nach dem Auslass (5) ein Sifon (15) vorgesehen ist.
23. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zum Transport des Reaktionsmediums (6) sowohl innerhalb des Reaktors als auch zwischen Reaktoren eine Archimedische Schraube (14) oder eine Spirale nach Da Vinci vorgesehen ist.
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