EP3063572A1 - Hollow optical waveguide having openings, in particular for supplying a photobioreactor with light and nutrients - Google Patents

Hollow optical waveguide having openings, in particular for supplying a photobioreactor with light and nutrients

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EP3063572A1
EP3063572A1 EP14793005.1A EP14793005A EP3063572A1 EP 3063572 A1 EP3063572 A1 EP 3063572A1 EP 14793005 A EP14793005 A EP 14793005A EP 3063572 A1 EP3063572 A1 EP 3063572A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
light guide
photobioreactor
hollow core
nutrients
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14793005.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Robert Schreiber
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.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
Airbus Defence and Space GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Airbus Defence and Space GmbH filed Critical Airbus Defence and Space GmbH
Publication of EP3063572A1 publication Critical patent/EP3063572A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • C12M31/00—Means for providing, directing, scattering or concentrating light
    • C12M31/08—Means for providing, directing, scattering or concentrating light by conducting or reflecting elements located inside the reactor or in its structure
    • 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
    • C12M43/00—Combinations of bioreactors or fermenters with other apparatus
    • C12M43/08—Bioreactors or fermenters combined with devices or plants for production of electricity
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0005—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type
    • G02B6/001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type the light being emitted along at least a portion of the lateral surface of the fibre
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0096—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the lights guides being of the hollow type

Definitions

  • Hollow light guide with openings in particular for supplying a photobioreactor with light and nutrients
  • the present invention relates to a specially designed hollow light guide and a light guide assembly. Furthermore, the invention relates to a photobioreactor, in which such a light guide or such a light guide arrangement is used. Moreover, the invention relates to a method for operating a photobioreactor and to a method for manufacturing a light conductor that can be used advantageously in a photobioreactor.
  • Phototrophic organisms are microorganisms, e.g. in the form of microorganisms that can directly use light as an energy source for their metabolism. Phototrophic organisms include, for example, certain plants, mosses, microalgae, macroalgae, cyanobacteria and purple bacteria.
  • biomass for example in the form of algae in large quantities and at low cost.
  • biomass may be used to produce alternative biofuels, e.g. used for the transport sector.
  • a bioreactor In order to produce biomass on an industrial scale, so-called bioreactors are used.
  • a bioreactor is a plant for the production of organisms outside their natural and within an artificial technical environment.
  • So-called photobioreactors are used to phototrophic To cultivate organisms.
  • a photobioreactor provides the phototrophic organisms with both light and nutrients, for example CO 2, as well as a suitable nutrient solution, so that they can build up biomass accordingly.
  • open photobioreactor systems sometimes referred to as open ponds
  • phototrophic organisms are grown in open tanks or ponds in a controlled manner.
  • a nutrient solution or culture suspension containing all the nutrients and CO 2 necessary for the particular organism is usually conveyed in a cycle and, from the open surface, mostly illuminated directly by the sun.
  • closed photobioreactor systems have been developed.
  • a nutrient solution is conducted together with the organisms through a closed circuit and is usually illuminated from the outside.
  • a tube photobioreactor glass or plastic tubes are assembled into a closed circuit and the organisms enclosed therein are supplied with nutrients and CO 2 by means of a central unit, which may for example contain suitable pumps and sensors.
  • Closed photobioreactors usually allow a high process control, as the organisms and the surrounding nutrient solution in the closed System can be well heated or cooled, monitors a pH and can be adjusted if necessary and additional light can be provided.
  • the closed systems allow for low space requirement high productivity, since for example several closed systems can be arranged one above the other or tubes of a system can run in the vertical direction and can be illuminated from all sides. However, shadowing effects are always to be expected.
  • a high product purity with low contamination, low evaporation and low electromagnetic interference (EMC) are possible.
  • a specially designed elongate hollow light guide is proposed.
  • the light guide has a sheath of a transparent material surrounding a hollow core.
  • the hollow core in this case has a diameter of at least 1 mm, preferably at least 3 mm or at least 1 cm.
  • an optical fiber assembly comprising a plurality of optical fibers according to the above first aspect.
  • a photobioreactor comprising a container for containing organisms in a solution and a light guide or optical fiber assembly according to the above first or second aspect for supplying the organisms in the container with light and nutrients.
  • a method for operating such a photobioreactor comprises introducing light via the light guide into the solubilized solution as well as an introduction of nutrients through the hollow core of the light guide into the solubilized solution.
  • a method for manufacturing a light guide according to the above first aspect is proposed.
  • Phototrophic organisms should be well supplied with light as well as nutrients during their rearing.
  • light for example by means of optical fibers
  • the phototrophic organisms are contained in a nutrient solution.
  • these nutrients are conventionally introduced via various tributaries in the nutrient solution inside the container.
  • gases such as CO 2
  • water and trace elements are each introduced via separate tributaries. This generally requires a complex construction of the photobioreactor as well as the various nutrient sources coupled to it.
  • optical fibers have been used primarily to guide light from one location to another as lossless as possible.
  • the light guides are used for example in the form of glass fibers mostly for data transmission.
  • As a material for such optical fiber usually highly transparent glass is used.
  • the light guide is generally made as a thin fiber with an outer diameter of usually well below 1 mm.
  • hollow fibers known, as used for example in the textile industry as insulating material or absorbent filling material or for the construction of filter modules.
  • the sheath of such hollow fibers need not be made of a transparent material.
  • a light guide as a kind of hollow fiber, in which on the one hand the sheath consists of a transparent material and on the other hand, the surrounded by the sheath hollow core sufficient
  • the core should have a diameter of at least 1 mm, preferably at least 3 mm or better at least 1 cm, so that flowable nutrients can be transported through this hollow core without excessive friction losses.
  • a plurality of openings are provided in the mantle of the hollow light guide. About these openings is the hollow core of the light guide in contact with the environment. A diameter of these openings should be at least 0.5 mm, preferably at least 1 mm, so that nutrients delivered by the hollow core can flow easily and with as little friction as possible through the openings to the outside into the container.
  • the proposed hollow light guide can thus serve advantageously to conduct both light and nutrients from one place to another or promote.
  • the transparent jacket of the light guide mainly serves to guide the light. It also encloses the hollow core, through which the nutrients can be promoted. By virtue of the openings formed in the shell at desired locations, the substances conveyed in the hollow core can then escape to the outside.
  • such hollow optical fibers can therefore be advantageously used to introduce from outside both light and nutrients into the interior of a container of the photobioreactor.
  • the jacket of the light guide is made of plastic.
  • plastic for the jacket can also ensure the required large diameters of the proposed light guide for sufficient mechanical strength and / or sufficient mechanical elasticity.
  • any plastic or any plastic mixture can be used, which or has a sufficient for the intended use optical transparency with suitable mechanical properties.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • POF light guide in English: "polymer optical fiber”
  • the sheath may consist of a material which can be heated without damage to at least 60 ° C. This can be achieved that the optical fiber can be thermally sterilized. This may be particularly important for use in photobioreactors.
  • the jacket is closed on at least one end face.
  • This advantage can also be achieved if the light guide in the region of the end face is solid, that is not hollow.
  • the massively formed area extends from the end face to 1 mm, 1 cm, 20 cm or up to 50 cm in length of the light guide.
  • Another advantage of the closed end face is that the escape of the gases and / or nutrients to be introduced can take place from the openings provided, for example. The introduction of the gas and / or the nutrients can be controlled, for example by the number of openings per length of the light guide.
  • the optical waveguides have different outer diameters.
  • the different hollow optical fibers have different inner diameters, that is, hollow cores of different diameters.
  • the different light guides can be adapted to different uses. For example, an optical fiber with a smaller outer diameter and thus a smaller hollow core can be well used to promote gaseous nutrients such as CO2, since friction losses generally play a minor role here.
  • the optical fibers can be combined into a bundle.
  • Several light guides can be mechanically connected to each other, for example by means of an adhesive or connecting fibers, and thus, for example, be handled better.
  • the light guides may be woven into a mat.
  • the optical fibers can be mechanically sufficiently firmly connected to each other without further aids such as adhesives or connecting fibers.
  • the proposed hollow light guide may have further advantageous features.
  • the jacket may be provided with an additional layer on its inner surface facing the hollow core.
  • this additional layer may provide chemical resistance to hollow core passed media.
  • the additional layer may also serve as a reflective layer to prevent light conducted in the cladding leaving the cladding sideways toward the hollow core and then being absorbed in the medium conveyed in the hollow core, for example, and thus lost for light supply of the phototrophic organisms goes.
  • the additional layer may be metallic, for example.
  • the jacket of the hollow optical waveguide can also be selectively designed such that light conducted in the cladding does not exit exclusively at the end faces of the optical waveguide, but a significant portion of this light is already coupled out laterally transversely to the waveguide to the outside.
  • light is coupled not only locally and thus with high intensity at the end of the light guide into the solution receiving the organisms, but over a larger area along, for example, the entire mantle surface of the light guide the solution is irradiated with light.
  • the outer surface of the shell can be selectively roughened to provoke a lateral decoupling of light from the light guide.
  • the hollow light guide or the light guide arrangement, as described above, can be advantageously used, in particular for a photobioreactor, to supply light and nutrients in this organism.
  • the photobioreactor may have a light source which is connected to at least one of the light guides so that light from the light source can be coupled into the light guide and transferred via the light guide into the solution containing organisms.
  • the photobioreactor may further comprise a nutrient source connected to at least one of the light guides such that nutrients may be introduced from the nutrient source into the hollow core of the light pipe and transferred thereinto into the organism-added solution.
  • the photobioreactor may comprise a plurality of different nutrient sources and a plurality of different light guides, each of the nutrient sources configured to provide a liquid or gaseous nutrient and connected to at least one of the light guides to deliver nutrients from the nutrient source to the hollow Inserted core of the light guide and can be transferred via this in the organisms mixed with solution.
  • each of the nutrient sources configured to provide a liquid or gaseous nutrient and connected to at least one of the light guides to deliver nutrients from the nutrient source to the hollow Inserted core of the light guide and can be transferred via this in the organisms mixed with solution.
  • another light guide with different properties can be used.
  • a hollow optical fiber having a thinner core diameter may be used than for transferring nutrients received in a liquid solution.
  • the photobioreactor may further comprise a suction device, which is designed and connected to at least one of the light guides so that it can be sucked with the aid of organisms displaced solution from the container through the hollow core of the light guide therethrough and then for a Analysis of the solubilized solution can be provided.
  • the hollow light guide can not only be provided to introduce light and nutrients into the container of the photobioreactor, but also in the opposite direction can be removed from the container via the hollow light guide, for example, to analyze them with organisms displaced nutrient solution.
  • Fig. 1 shows a cross-sectional view of a hollow optical fiber according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 shows a perspective view of a hollow light guide according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view of an optical fiber assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a perspective view of a woven light guide assembly according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 5 shows a photobioreactor according to an embodiment of the present invention.
  • the light guide 1 has a jacket 3 made of transparent plastic, which encloses a hollow core 5.
  • the jacket 3 is cylindrical and has an outside diameter D a of, for example, 1 cm.
  • An inner diameter D, of the shell 3 corresponds to the diameter of the hollow core 5 and is for example 0.5 cm.
  • a plurality of through openings 7 are formed at least in one subregion, via which the hollow core 5 is connected to the circumference. tion and in particular can exchange fluids.
  • the openings 7 have, for example, a diameter d of at least 0.5 mm.
  • the openings 7 are arranged spaced apart from each other in the shell, wherein a distance between adjacent openings 7 is preferably significantly greater than the diameter d of the openings 7 in order not to unduly weaken the stability of the light guide 1.
  • the jacket 3 of the optical waveguide 1 is closed on an end face (in FIG. 1 on the right-hand side).
  • the light guide 1 can be used, for example, in a photobioreactor in order to be able to introduce both light 13 and nutrients 15 from the outside into a container in the interior of the photobioreactor.
  • the light 13 is thereby coupled into the light guide 1, in particular in its jacket 3, coming from a light source and can then propagate along the light guide 1, similar to conventional light guides.
  • the optical waveguide 1 is preferably adapted specifically for the fact that the light 13 is not completely propagated through the optical waveguide 1 from one end to the other end, but that it is successively coupled out of the cladding 3 along the optical waveguide 1, preferably continuously outwards indicated by the arrows 19 in Fig. 1.
  • the light 13 thus need not be coupled out locally at the end of the light guide 1, but can be coupled along the entire outer surface of the jacket 3 and thus illuminate the solution contained in the container of the photobioreactor containing organisms solution over a large area.
  • the openings 7 are also distributed evenly over the jacket 3 of the light guide 1, so that the nutrients 15 transferred in the hollow core 5 are preferably uniform along the length of the light guide 1 through the plurality of openings 7 can escape to the outside and the organisms contained in the surrounding solution can be supplied.
  • the light guide assembly 21 has a bundle 9 of a plurality of optical fibers 1.
  • the light guides 1 have different outer diameters.
  • gases such as, for example, CO.sub.2 can be conducted through cores 5 of diameter-smaller light guides 1, whereas liquids can also be conducted through the hollow core 5 of a light conductor 1 with a larger diameter. Both the gases and the liquids can escape through the openings 7 to the outside into a nutrient solution present, for example, in the photobioreactor.
  • Fig. 4 shows an alternative embodiment of an optical fiber assembly 21, in which a plurality of optical fibers 1 are woven into a mat 1 1.
  • the same or different types of optical fibers 1 can be used here, wherein the optical fibers 1 can differ in particular with respect to their diameter.
  • the optical fibers 1 in areas where the optical fibers 1 within the fabric 1 1 are most curved, it may come to the local coupling of guided in the optical fibers 1 light, as indicated in turn by the arrows 19, so that light preferably over the entire mat. 1 1 back and forth to the surface can be coupled out.
  • a nutrient solution in a photobioreactor can be illuminated over a large area.
  • FIG. 5 schematically illustrates a photobioreactor 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the photobioreactor 100 has a container 23 in which phototrophic organisms can be taken up in a solution 25.
  • a plurality of optical fibers 1 are included in order to provide the phototrophic organisms with both light and nutrients.
  • the photobioreactor 1 further has at least one light source 27 and at least one nutrient source 45, 47.
  • the light source 27 may include one or more components for artificially generating light or collecting naturally generated light, and then coupling that light into a common light guide 1 to power the bioreactor 100.
  • the light source 27 can be configured as a light source 29 for collecting and coupling sunlight into the light guide.
  • the light source 29 may be configured, for example, as a solar collector 30 with a concave mirror, which focuses sunlight on a receiver.
  • the light source 27 may be formed as an artificial light source 31 in which, for example, by means of an LED 32 or a laser 33 light is generated, which is then irradiated to an array 35 of a polarizer and a shading, which in turn with the light guide.
  • the artificial light source 31 is connected to the container 23 of the photobioreactor 1.
  • the artificial light source 31 can be supplied, for example, with electric current from alternative sources such as wind power 39 or solar cells 41 or alternatively by conventional current 43.
  • the electric current can be temporarily stored, for example, via a buffer battery 37, so that the artificial light source 31 can expose the photobioreactor 100 even in the absence of sunshine.
  • the optical fibers 1 are not only used to transfer light received by the light source 27 into the interior of the container 23 and the organism-containing solution 25 contained therein.
  • nutrient sources 45, 47 are connected to the light guides 1 and in particular to their hollow core 5.
  • nutrient sources 45, 47 for example, CO2 and another nutrient-containing nutrient solution are fed into the interior of the hollow optical fibers 1 and then transferred via the hollow cores 5 into the container 23. There, the nutrients via the openings 7 escape from the hollow light guides 1.
  • the hollow optical fibers 1 can also be used to suck solution 25 containing organisms via a suction device 49 out of the container 23 so that it can be analyzed, for example.
  • the solution 25 is sucked through the openings 7 in the optical fibers 1 in the core 5 and then pumped out of the interior of the container 23 out, for example, to an analysis device.
  • an agitator 51 is also provided, by means of which the solution 25 can be permanently circulated.
  • an optical waveguide in which a cladding 3 of transparent material surrounds a hollow core 5 can be provided.
  • the hollow core 5 should preferably have a diameter of at least 1 mm, more preferably at least 3 mm or 1 cm.
  • a plurality of openings 7 can be generated in the jacket 3 of the light guide 1.
  • the jacket can be locally irradiated with a laser of sufficient power density, so that material of the jacket 3 is locally removed and the openings 7 are formed.
  • a diameter and a power of the laser used for this purpose can be suitably chosen such that openings form with a diameter of at least 0.5 mm. If the optical waveguide 1 is already hollow in this processing stage, then two openings 7 can be produced simultaneously in opposite regions of the cladding 3 with a single laser irradiation.

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Abstract

The invention relates to an elongated hollow optical waveguide (1), which in particular can be used in a photobioreactor to supply phototropic organisms with both light and nutrients. The optical waveguide (1) comprises a cladding (3) made of transparent material, which surrounds a hollow core (5). The hollow core has a diameter of at least 1 mm, preferably at least 3 mm or 1 cm. A plurality of openings (7) having a diameter of at least 0.5 mm, preferably at least 1 mm, are formed in the cladding (3). Light can propagate through the transparent cladding, and light can laterally (19) exit through the transparent material preferably along the entire optical waveguide (1). Nutrients (15) can be conducted into the interior of the photobioreactor through the hollow core (5). Conversely, parts of the solution mixed with organisms also can be suctioned out through the hollow core (5), for example in order to analyze the organisms.

Description

Hohler Lichtleiter mit Öffnungen, insbesondere zur Versorgung eines Photobioreaktors mit Licht und Nährstoffen  Hollow light guide with openings, in particular for supplying a photobioreactor with light and nutrients
GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft einen speziell ausgebildeten hohlen Lichtleiter sowie eine Lichtleiteranordnung. Ferner betrifft die Erfindung einen Photobioreaktor, bei dem ein solcher Lichtleiter bzw. eine solche Lichtleiteranordnung eingesetzt wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Photobioreaktors sowie ein Verfahren zum Fertigen eines in einem Photobioreaktor vorteilhaft verwendbaren Lichtleiters. The present invention relates to a specially designed hollow light guide and a light guide assembly. Furthermore, the invention relates to a photobioreactor, in which such a light guide or such a light guide arrangement is used. Moreover, the invention relates to a method for operating a photobioreactor and to a method for manufacturing a light conductor that can be used advantageously in a photobioreactor.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION
Phototrophe Organismen sind Kleinstlebewesen, z.B. in Form von Mikororganis- men, die Licht als Energiequelle für ihren Stoffwechsel direkt nutzen können. Zu den phototrophen Organismen zählen zum Beispiel bestimmte Pflanzen, Moose, Mikroalgen, Makroalgen, Cyanobakterien und Purpurbakterien. Phototrophic organisms are microorganisms, e.g. in the form of microorganisms that can directly use light as an energy source for their metabolism. Phototrophic organisms include, for example, certain plants, mosses, microalgae, macroalgae, cyanobacteria and purple bacteria.
Für unterschiedliche Anwendungszwecke kann es gewünscht sein, Biomasse beispielsweise in Form von Algen in großen Mengen und preisgünstig herstellen zu können. Beispielsweise kann solche Biomasse für die Erzeugung alternativer Biotreibstoffe z.B. für den Transportsektor verwendet werden. For different applications, it may be desirable to be able to produce biomass, for example in the form of algae in large quantities and at low cost. For example, such biomass may be used to produce alternative biofuels, e.g. used for the transport sector.
Um Biomasse im industriellen Maßstab erzeugen zu können, werden so genannte Bioreaktoren eingesetzt. Ein Bioreaktor ist eine Anlage zur Produktion von Organismen außerhalb ihrer natürlichen und innerhalb einer künstlichen technischen Umgebung. So genannte Photobioreaktoren werden eingesetzt, um phototrophe Organismen zu kultivieren. Ein Photobioreaktor stellt den phototrophen Organismen dabei sowohl Licht als auch Nährstoffe, beispielsweise CO2 sowie eine geeignete Nährlösung, zur Verfügung, damit diese entsprechend Biomasse aufbauen können. In order to produce biomass on an industrial scale, so-called bioreactors are used. A bioreactor is a plant for the production of organisms outside their natural and within an artificial technical environment. So-called photobioreactors are used to phototrophic To cultivate organisms. A photobioreactor provides the phototrophic organisms with both light and nutrients, for example CO 2, as well as a suitable nutrient solution, so that they can build up biomass accordingly.
Generell sind für Photobioreaktoren sowohl offene als auch geschlossene Systeme bekannt. Jeder dieser Typen von Photobioreaktoren weist bestimmte Vorteile und Nachteile auf. Generally, both open and closed systems are known for photobioreactors. Each of these types of photobioreactors has certain advantages and disadvantages.
Bei offenen Photobioreaktorsystemen, teilweise auch als open ponds bezeichnet, werden phototrophe Organismen in offenen Becken oder Teichen kontrolliert gezüchtet. Dabei wird meist eine Nährlösung oder Kultursuspension, die alle für den jeweiligen Organismus notwendigen Nährstoffe und CO2 enthält, in einem Kreislauf gefördert und von der offenen Oberfläche her meist direkt von der Sonne beleuchtet. In open photobioreactor systems, sometimes referred to as open ponds, phototrophic organisms are grown in open tanks or ponds in a controlled manner. In this case, a nutrient solution or culture suspension containing all the nutrients and CO 2 necessary for the particular organism is usually conveyed in a cycle and, from the open surface, mostly illuminated directly by the sun.
Mögliche Vorteile solcher offenen Photobioreaktorsysteme sind ein verhältnismäßig geringer technischer Aufwand sowie ein geringer Stromverbrauch. Possible advantages of such open photobioreactor systems are a relatively low technical complexity and low power consumption.
Allerdings bringt eine Beleuchtung lediglich über die nach oben offene Fläche mit sich, dass nur geringe Volumina mit ausreichend Licht versorgt werden können. Licht kann in eine mit Organismen versetzte Nährlösung meist nur wenige Zentimeter tief eindringen. Die Tiefe solcher offenen Photobioreaktorsysteme ist somit in der Regel auf 20 bis 30 cm begrenzt. Der geringe mittlere Lichteintrag führt zu geringen flächenbezogenen Wachstumsraten. Für offene Photobioreaktorsysteme muss somit viel Fläche bereitgestellt werden. Hierdurch werden Kosten für solche Photobioreaktoren insbesondere in dicht besiedelten Regionen erheblich erhöht. However, lighting only via the upwardly open surface means that only small volumes can be supplied with sufficient light. Light can penetrate only a few centimeters deep into a nutrient solution mixed with organisms. The depth of such open photobioreactor systems is thus usually limited to 20 to 30 cm. The low average light input leads to low area-related growth rates. For open photobioreactor systems thus much area must be provided. As a result, costs for such photobioreactors are significantly increased, especially in densely populated regions.
Außerdem kann es an der frei liegenden Oberfläche zu einer starken Verdunstung und damit zu Aufsalzungseffekten kommen. Über die frei liegende Oberfläche kann ferner eine erhebliche Menge an C02 in die Atmosphäre diffundieren. Im Gegenzug können über die frei liegende Oberfläche Verschmutzungen in einen offenen Photobioreaktor gelangen, diesen kontaminieren und damit eine Produktreinheit gefährden. Ferner gestaltet sich eine eventuell notwendige Heizung oder Kühlung solcher offenen Photobioreaktorsysteme schwierig. Bei ausschließlicher Beleuchtung mit Sonnenlicht ergibt sich außerdem eine Tageszeitenabhängigkeit, wobei tiefer liegende Schichten häufig nur unzureichend beleuchtet werden, wohingegen direkt an der Oberfläche des offenen Systems sehr hohe Beleuchtungsintensitäten auftreten können, die gegebenenfalls zur so genannten Photoinhibition führen können. In addition, it can come to the exposed surface to a strong evaporation and thus Aufsalzungseffekten. Over the exposed surface Furthermore, a significant amount of C0 2 can diffuse into the atmosphere. In return, contaminants can enter an open photobioreactor via the exposed surface and contaminate it, endangering product purity. Furthermore, any necessary heating or cooling of such open photobioreactor systems is difficult. In the case of exclusive illumination with sunlight, there is also a dependency on the time of day, wherein deeper layers are often insufficiently illuminated, whereas very high illumination intensities can occur directly at the surface of the open system, which can possibly lead to so-called photoinhibition.
Die Summe der genannten Nachteile beziehungsweise beschränkenden Randbedingungen kann insbesondere dazu führen, dass offene Photobioreaktorsysteme in Form von open ponds häufig nur in ganz bestimmten geographischen Bereichen ganzjährig eingesetzt werden können. The sum of the mentioned disadvantages or limiting boundary conditions may in particular mean that open photobioreactor systems in the form of open ponds can frequently be used all year round only in very specific geographical areas.
Um einerseits einen Einfluss von Umweltbedingungen zu reduzieren und um andererseits einen höheren Ertrag bei der Kultivierung von phototrophen Organismen zu erreichen, wurden geschlossene Photobioreaktorsysteme entwickelt. In solchen geschlossenen Systemen wird eine Nährlösung zusammen mit den Organismen durch einen geschlossenen Kreislauf geleitet und dabei meist von außen her beleuchtet. On the one hand to reduce the influence of environmental conditions and on the other hand to achieve a higher yield in the cultivation of phototrophic organisms, closed photobioreactor systems have been developed. In such closed systems, a nutrient solution is conducted together with the organisms through a closed circuit and is usually illuminated from the outside.
Beispielsweise werden bei einem Rohr-Photobioreaktor Glas- oder Kunststoffrohre zu einem geschlossenen Kreislauf zusammengesetzt und die darin eingeschlossenen Organismen mittels einer zentralen Einheit, die beispielsweise geeignete Pumpen und Sensoren beinhalten kann, mit Nährstoffen und CO2 versorgt. For example, in a tube photobioreactor, glass or plastic tubes are assembled into a closed circuit and the organisms enclosed therein are supplied with nutrients and CO 2 by means of a central unit, which may for example contain suitable pumps and sensors.
Geschlossene Photobioreaktoren erlauben in der Regel eine hohe Prozesskontrolle, da die Organismen und die umgebende Nährlösung in dem geschlossenen System gut geheizt beziehungsweise gekühlt werden können, ein pH-Wert überwacht und gegebenenfalls angepasst werden kann und zusätzliches Licht zur Verfügung gestellt werden kann. Die geschlossenen Systeme erlauben bei geringem Flächenbedarf eine hohe Produktivität, da beispielsweise mehrere geschlossene Systeme übereinander angeordnet werden können oder Rohre eines Systems in vertikaler Richtung verlaufen können und dabei von allen Seiten her beleuchtet werden können. Dabei ist aber immer mit Abschattungseffekten zu rechnen. Außerdem sind auch eine hohe Produktreinheit bei geringen Kontaminationen, geringe Verdunstung sowie geringe elektromagnetische Beeinträchtigungen (EMV) möglich. Closed photobioreactors usually allow a high process control, as the organisms and the surrounding nutrient solution in the closed System can be well heated or cooled, monitors a pH and can be adjusted if necessary and additional light can be provided. The closed systems allow for low space requirement high productivity, since for example several closed systems can be arranged one above the other or tubes of a system can run in the vertical direction and can be illuminated from all sides. However, shadowing effects are always to be expected. In addition, a high product purity with low contamination, low evaporation and low electromagnetic interference (EMC) are possible.
Allerdings sind ein technischer Aufwand und entsprechende Anlagen- Investitionskosten beim Aufbau komplexer geschlossener Photobioreaktoren im Vergleich zu offenen Systemen in der Regel sehr hoch. However, a technical effort and corresponding investment investment costs in the construction of complex closed photobioreactors in comparison to open systems are usually very high.
Es wurde bereits eine Vielzahl von technischen Lösungen entwickelt, um eine Effizienz von Photobioreaktoren zu steigern. Als Maß für die Effizienz eines Photobioreaktors kann hierbei die Menge notwendiger Ressourcen wie beispielsweise bereitzustellende Energie in Form von Licht und/oder Elektrizität, bereitzustellende Fläche, bereitzustellende Nährstoffe, etc. in Relation zum Ertrag des Photobioreaktors in Form von Biomasse mit möglichst hohen Mengen darin chemisch gespeicherter Energie verstanden werden. A variety of technical solutions have been developed to increase the efficiency of photobioreactors. As a measure of the efficiency of a photobioreactor in this case, the amount of necessary resources such as energy to be provided in the form of light and / or electricity, area to be provided, nutrients to be provided, etc. in relation to the yield of the photobioreactor in the form of biomass with the highest possible levels in it chemically stored energy.
Beispielsweise wurde in der EP 2 520 642 A1 ein Photobioreaktor mit rotatorisch oszillierenden Lichtquellen beschrieben. For example, a photobioreactor with rotationally oscillating light sources has been described in EP 2 520 642 A1.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG Es kann als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine Möglichkeit bereitzustellen, insbesondere einen Photobioreaktor zur Kultivierung von phototrophen Organismen in einfacher und kostengünstiger Weise sowohl mit Licht als auch mit Nährstoffen versorgen zu können. SUMMARY OF THE INVENTION It may be considered to be an object of the present invention to provide a possibility, in particular, to be able to supply a photobioreactor for the cultivation of phototrophic organisms in a simple and cost-effective manner both with light and with nutrients.
Diese Aufgabe kann erfüllt werden durch die Gegenstände gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in der nachfolgenden Beschreibung angegeben. This object can be achieved by the objects according to the independent claims. Advantageous embodiments are given in the dependent claims and in the following description.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein speziell ausgebildeter länglicher hohler Lichtleiter vorgeschlagen. Der Lichtleiter weist einen Mantel aus einem transparentem Material auf, der einen hohlen Kern umgibt. Der hohle Kern weist hierbei einen Durchmesser von wenigstens 1 mm, vorzugsweise wenigstens 3mm oder wenigstens 1 cm, auf. In dem Mantel ist eine Vielzahl von Öffnungen mit einem Durchmesser von wenigstens 0,5 mm, vorzugsweise wenigstens 1 mm, möglicherweise auch wenigstens 2 mm, ausgebildet. According to a first aspect of the invention, a specially designed elongate hollow light guide is proposed. The light guide has a sheath of a transparent material surrounding a hollow core. The hollow core in this case has a diameter of at least 1 mm, preferably at least 3 mm or at least 1 cm. In the shell, a plurality of openings with a diameter of at least 0.5 mm, preferably at least 1 mm, possibly also at least 2 mm formed.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Lichtleiteranordnung vorgeschlagen, die eine Mehrzahl von Lichtleitern gemäß dem obigen ersten Aspekt aufweist. According to a second aspect of the invention, there is proposed an optical fiber assembly comprising a plurality of optical fibers according to the above first aspect.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Photobioreaktor vorgeschlagen, der einen Behälter zur Aufnahme von Organismen in einer Lösung sowie einen Lichtleiter bzw. eine Lichtleiteranordnung gemäß dem obigen ersten bzw. zweiten Aspekt aufweist zur Versorgung der Organismen in dem Behälter mit Licht und Nährstoffen. According to a third aspect of the invention, there is provided a photobioreactor comprising a container for containing organisms in a solution and a light guide or optical fiber assembly according to the above first or second aspect for supplying the organisms in the container with light and nutrients.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Photobioreaktors vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst ein Einbringen von Licht über den Lichtleiter in die mit Organismen versetzte Lösung sowie ein Einbringen von Nährstoffen über den hohlen Kern des Lichtleiters in die mit Organismen versetzte Lösung. According to a fourth aspect of the invention, a method for operating such a photobioreactor is proposed. The method comprises introducing light via the light guide into the solubilized solution as well as an introduction of nutrients through the hollow core of the light guide into the solubilized solution.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Fertigen eines Lichtleiters gemäß dem obigen ersten Aspekt vorgeschlagen. Dabei wird zunächst ein hohler Lichtleiter mit einem Mantel aus transparentem Material, welcher einen hohlen Kern umgibt, bereitgestellt und anschließend eine Vielzahl von Öffnungen mit einem Durchmesser von wenigstens 0,5 mm durch Laserbestrahlung in dem Mantel erzeugt. According to a fifth aspect of the invention, a method for manufacturing a light guide according to the above first aspect is proposed. In this case, first a hollow optical waveguide with a sheath of transparent material, which surrounds a hollow core, provided and then generates a plurality of openings with a diameter of at least 0.5 mm by laser irradiation in the jacket.
Ohne dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch eingeschränkt werden soll, können Ideen zu Ausführungsformen der Erfindung unter anderem als auf den folgenden Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden: Without intending to limit the scope of the invention, ideas for embodiments of the invention may be considered, inter alia, as being based on the following thoughts and findings:
Phototrophe Organismen sollen während ihrer Aufzucht möglichst gut sowohl mit Licht als auch mit Nährstoffen versorgt werden. Für konventionelle, insbesondere geschlossene Photobioreaktoren wurde bereits vorgeschlagen, Licht beispielsweise mithilfe von Lichtleitern direkt ins Innere eines Behälters des Photobioreaktors einzubringen. In dem Behälter befinden sich dabei die phototrophen Organismen aufgenommen in einer Nährlösung. Um die phototrophen Organismen mit Nährstoffen zu versorgen, werden diese Nährstoffe herkömmlich über verschiedene Zuflüsse in die Nährlösung im Innern des Behälters eingeleitet. Beispielsweise werden Gase wie zum Beispiel CO2, Wasser und Spurenelemente jeweils über separate Zuflüsse eingeleitet. Dies erfordert im Allgemeinen einen komplexen Aufbau des Photobioreaktors sowie der mit diesem gekoppelten verschiedenen Nährstoffquellen. Phototrophic organisms should be well supplied with light as well as nutrients during their rearing. For conventional, in particular closed, photobioreactors, it has already been proposed to introduce light, for example by means of optical fibers, directly into the interior of a container of the photobioreactor. In the container while the phototrophic organisms are contained in a nutrient solution. To provide the phototrophic organisms with nutrients, these nutrients are conventionally introduced via various tributaries in the nutrient solution inside the container. For example, gases such as CO 2 , water and trace elements are each introduced via separate tributaries. This generally requires a complex construction of the photobioreactor as well as the various nutrient sources coupled to it.
Es wird nun vorgeschlagen, den Aufbau eines Photobioreaktors erheblich zu vereinfachen, indem sowohl Licht als auch Nährstoffe über einen Lichtleiter ins Innere eines Behälters des Photobioreaktors eingebracht werden können. Hierzu wird ein speziell ausgebildeter hohler Lichtleiter vorgeschlagen. It is now proposed to greatly simplify the construction of a photobioreactor by bringing both light and nutrients into the interior via a light guide a container of the photobioreactor can be introduced. For this purpose, a specially designed hollow light guide is proposed.
Lichtleiter werden bisher vornehmlich dazu eingesetzt, Licht möglichst verlustfrei von einem Ort zu einem anderen zu leiten. Die Lichtleiter werden dabei beispielsweise in Form von Glasfasern meist zur Datenübertragung eingesetzt. Als Material für solche Lichtleiter wird in der Regel hochtransparentes Glas eingesetzt. Um eine ausreichende mechanische Flexibilität eines solchen Lichtleiters erreichen zu können, wird der Lichtleiter im Allgemeinen als dünne Faser hergestellt mit einem Außendurchmesser von meist deutlich unter 1 mm. Until now, optical fibers have been used primarily to guide light from one location to another as lossless as possible. The light guides are used for example in the form of glass fibers mostly for data transmission. As a material for such optical fiber usually highly transparent glass is used. In order to achieve sufficient mechanical flexibility of such a light guide, the light guide is generally made as a thin fiber with an outer diameter of usually well below 1 mm.
Es sind ferner Hohlfasern bekannt, wie sie beispielsweise in der Textilindustrie als Dämmmaterial oder saugfähiges Füllmaterial oder auch zum Aufbau von Filtermodulen eingesetzt werden. Für diese Einsatzzwecke braucht der Mantel solcher Hohlfasern jedoch nicht aus einem transparenten Material bestehen. There are also hollow fibers known, as used for example in the textile industry as insulating material or absorbent filling material or for the construction of filter modules. For these purposes, however, the sheath of such hollow fibers need not be made of a transparent material.
Es wird nun vorgeschlagen, einen Lichtleiter als eine Art Hohlfaser auszubilden, bei dem einerseits der Mantel aus einem transparenten Material besteht und andererseits der von dem Mantel umgebene hohle Kern einen ausreichenden It is now proposed to form a light guide as a kind of hollow fiber, in which on the one hand the sheath consists of a transparent material and on the other hand, the surrounded by the sheath hollow core sufficient
Durchmesser aufweist, so dass durch ihn Nährstoffe hindurchtransportiert werden können. Hierfür sollte der Kern einen Durchmesser von wenigstens 1 mm, vorzugsweise wenigstens 3 mm oder besser wenigstens 1 cm, aufweisen, damit fließfähige Nährstoffe ohne übermäßige Reibungsverluste durch diesen hohlen Kern hindurchtransportiert werden können. Diameter, so that it can be transported through nutrients. For this purpose, the core should have a diameter of at least 1 mm, preferably at least 3 mm or better at least 1 cm, so that flowable nutrients can be transported through this hollow core without excessive friction losses.
Um die durch den hohlen Kern geförderten Nährstoffe nicht nur am Ende des Lichtleiters lokal ausgeben zu können, sondern möglichst die Nährstoffe gleichmäßig innerhalb beispielsweise eines Behälters eines Photobioreaktors abgeben zu können, werden in dem Mantel des hohlen Lichtleiters eine Vielzahl von Öffnungen vorgesehen. Über diese Öffnungen steht der hohle Kern des Lichtleiters mit der Umgebung in Verbindung. Ein Durchmesser dieser Öffnungen sollte wenigstens 0,5 mm, vorzugsweise wenigstens 1 mm, betragen, damit durch den hohlen Kern geförderte Nährstoffe einfach und möglichst reibungsarm durch die Öffnungen nach außen in den Behälter strömen können. In order to be able to dispense the nutrients promoted by the hollow core not only at the end of the light guide locally, but as possible to deliver the nutrients evenly within, for example, a container of a photobioreactor, a plurality of openings are provided in the mantle of the hollow light guide. About these openings is the hollow core of the light guide in contact with the environment. A diameter of these openings should be at least 0.5 mm, preferably at least 1 mm, so that nutrients delivered by the hollow core can flow easily and with as little friction as possible through the openings to the outside into the container.
Der vorgeschlagene hohle Lichtleiter kann somit in vorteilhafter Weise dazu dienen, sowohl Licht als auch Nährstoffe von einem Ort zu einem anderen zu leiten bzw. zu fördern. Der transparente Mantel des Lichtleiters dient dabei hauptsächlich zum Leiten des Lichts. Ferner umschließt er den hohlen Kern, durch den die Nährstoffe gefördert werden können. Durch die in dem Mantel an gewünschten Stellen ausgebildeten Öffnungen können die in dem hohlen Kern geförderten Substanzen dann nach außen austreten. The proposed hollow light guide can thus serve advantageously to conduct both light and nutrients from one place to another or promote. The transparent jacket of the light guide mainly serves to guide the light. It also encloses the hollow core, through which the nutrients can be promoted. By virtue of the openings formed in the shell at desired locations, the substances conveyed in the hollow core can then escape to the outside.
In einem Photobioreaktor können derartige hohle Lichtleiter daher vorteilhaft dazu eingesetzt werden, von außen sowohl Licht als auch Nährstoffe ins Innere eines Behälters des Photobioreaktors einzubringen. In a photobioreactor, such hollow optical fibers can therefore be advantageously used to introduce from outside both light and nutrients into the interior of a container of the photobioreactor.
Gemäß einer Ausführungsform besteht der Mantel des Lichtleiters aus Kunststoff. Eine Verwendung von Kunststoff für den Mantel kann auch bei den angestrebten großen Durchmessern des vorgeschlagenen Lichtleiters für eine ausreichende mechanische Widerstandsfähigkeit und/oder eine ausreichende mechanische Elastizität sorgen. Für den Mantel kann jeder Kunststoff oder jede Kunststoffmischung eingesetzt werden, der bzw. die eine für den beabsichtigten Einsatzzweck ausreichende optische Transparenz bei gleichzeitig geeigneten mechanischen Eigenschaften aufweist. Insbesondere kann als Kunststoff für den Mantel Polyme- thylmethacrylat (PMMA) eingesetzt werden, beispielsweise POF Lichtleiter (in Englisch:„polymer optical fiber"). According to one embodiment, the jacket of the light guide is made of plastic. The use of plastic for the jacket can also ensure the required large diameters of the proposed light guide for sufficient mechanical strength and / or sufficient mechanical elasticity. For the shell, any plastic or any plastic mixture can be used, which or has a sufficient for the intended use optical transparency with suitable mechanical properties. In particular, polymethyl methacrylate (PMMA) can be used as plastic for the jacket, for example POF light guide (in English: "polymer optical fiber").
Gemäß einer Ausführungsform kann der Mantel aus einem Material bestehen, welches schädigungsfrei bis auf wenigstens 60°C erhitzbar ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Lichtleiter thermisch sterilisiert werden kann. Dies kann insbesondere für einen Einsatz in Photobioreaktoren wichtig sein. According to one embodiment, the sheath may consist of a material which can be heated without damage to at least 60 ° C. This can be achieved that the optical fiber can be thermally sterilized. This may be particularly important for use in photobioreactors.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Mantel an wenigstens einer Stirnfläche verschlossen. Dies hat den Vorteil, dass mittels einer geschlossenen Stirnfläche eine vereinfachte Einkopplung des Lichtes ermöglicht wird. Dieser Vorteil lässt sich auch erreichen wenn der Lichtleiter im Bereich der Stirnfläche massiv ausgebildet, also nicht hohl ist. Beispielsweise erstreckt sich der massiv ausgebildete Bereich von der Stirnfläche bis zu 1 mm, 1 cm, 20 cm oder bis hin zu 50 cm Länge des Lichtleiters. Ein weiterer Vorteil der geschlossenen Stirnfläche ist, dass der Austritt der einzubringenden Gase und/oder Nährstoffe aus den dafür vorgesehenen Öffnungen erfolgen kann, bspw. kann die Einbringung des Gases und/oder der Nährstoffe gesteuert werden, zum Beispiel durch die Anzahl der Öffnungen pro Länge des Lichtleiters. According to one embodiment, the jacket is closed on at least one end face. This has the advantage that a simplified coupling of the light is made possible by means of a closed end face. This advantage can also be achieved if the light guide in the region of the end face is solid, that is not hollow. For example, the massively formed area extends from the end face to 1 mm, 1 cm, 20 cm or up to 50 cm in length of the light guide. Another advantage of the closed end face is that the escape of the gases and / or nutrients to be introduced can take place from the openings provided, for example. The introduction of the gas and / or the nutrients can be controlled, for example by the number of openings per length of the light guide.
Gemäß einer Ausführungsform weisen bei einer Lichtleiteranordnung mit einer Mehrzahl von oben beschriebenen hohlen Lichtleitern die Lichtleiter verschiedene Außendurchmesser auf. Dies impliziert im Allgemeinen auch, dass die verschiedenen hohlen Lichtleiter unterschiedliche Innendurchmesser, das heißt hohle Kerne unterschiedlichen Durchmessers, aufweisen. Die unterschiedlichen Lichtleiter können dabei an unterschiedliche Verwendungszwecke angepasst sein. Beispielsweise kann ein Lichtleiter mit kleinerem Außendurchmesser und somit kleinerem hohlen Kern gut dazu eingesetzt werden, gasförmige Nährstoffe wie zum Beispiel CO2 zu fördern, da hier Reibungsverluste im Allgemeinen eine untergeordnete Rolle spielen. Zum Fördern flüssiger Nährstoffe wie zum Beispiel mit Spurenelementen versetztem Wasser kann hingegen ein hohler Lichtleiter größeren Durchmessers und somit größeren hohlen Kerns eingesetzt werden, so dass das flüssige Medium trotz seiner im Vergleich zu Gasen hohen Viskosität ausreichend reibungsarm durch den hohlen Kern des Lichtleiters gefördert werden kann. Gemäß einer Ausführungsform können die Lichtleiter zu einem Bündel zusam- mengefasst sein. Mehrere Lichtleiter können dabei mechanisch miteinander verbunden sein, beispielsweise mittels eines Klebstoffes oder Verbindungsfasern, und somit beispielsweise besser gehandhabt werden. According to one embodiment, in an optical waveguide arrangement having a plurality of hollow optical waveguides described above, the optical waveguides have different outer diameters. This also generally implies that the different hollow optical fibers have different inner diameters, that is, hollow cores of different diameters. The different light guides can be adapted to different uses. For example, an optical fiber with a smaller outer diameter and thus a smaller hollow core can be well used to promote gaseous nutrients such as CO2, since friction losses generally play a minor role here. On the other hand, to convey liquid nutrients, for example water added with trace elements, it is possible to use a hollow light conductor with a larger diameter and therefore a larger hollow core, so that the liquid medium can be conveyed sufficiently friction-free through the hollow core of the light guide despite its high viscosity compared to gases , According to one embodiment, the optical fibers can be combined into a bundle. Several light guides can be mechanically connected to each other, for example by means of an adhesive or connecting fibers, and thus, for example, be handled better.
Gemäß einer Ausführungsform können die Lichtleiter alternativ auch zu einer Matte verwoben sein. In einer solchen zu einer Matte verwobenen Ausgestaltung können die Lichtleiter ohne weitere Hilfsmittel wie beispielsweise Klebstoffe oder Verbindungsfasern mechanisch ausreichend fest miteinander verbunden werden. Alternatively, in one embodiment, the light guides may be woven into a mat. In such an interwoven to a mat configuration, the optical fibers can be mechanically sufficiently firmly connected to each other without further aids such as adhesives or connecting fibers.
Insbesondere für eine Verwendung in einem Photobioreaktor kann der vorgeschlagene hohle Lichtleiter noch weitere vorteilhafte Merkmale aufweisen. In particular, for use in a photobioreactor, the proposed hollow light guide may have further advantageous features.
Beispielsweise kann der Mantel an seiner zum hohlen Kern hin gerichteten Innenoberfläche mit einer zusätzlichen Schicht versehen sein. Diese zusätzliche Schicht kann beispielsweise für eine chemische Widerstandsfähigkeit gegen durch den hohlen Kern geleitete Medien sorgen. Die zusätzliche Schicht kann auch als Reflexionsschicht dienen, um zu verhindern, dass in dem Mantel geleitetes Licht den Mantel zur Seite hin zu dem hohlen Kern verlässt und dann in dem im hohlen Kern geleiteten Medium beispielsweise absorbiert wird und somit für eine Lichtversorgung der phototrophen Organismen verloren geht. Hierzu kann die zusätzliche Schicht beispielsweise metallisch sein. For example, the jacket may be provided with an additional layer on its inner surface facing the hollow core. For example, this additional layer may provide chemical resistance to hollow core passed media. The additional layer may also serve as a reflective layer to prevent light conducted in the cladding leaving the cladding sideways toward the hollow core and then being absorbed in the medium conveyed in the hollow core, for example, and thus lost for light supply of the phototrophic organisms goes. For this purpose, the additional layer may be metallic, for example.
Der Mantel des hohlen Lichtleiters kann ferner gezielt derart ausgestaltet sein, dass in dem Mantel geleitetes Licht nicht ausschließlich an den Stirnflächen des Lichtleiters austritt, sondern ein signifikanter Anteil dieses Lichts bereits vorher seitlich quer zu dem Lichtleiter nach außen hin ausgekoppelt wird. Hierdurch kann beispielsweise in einem Photobioreaktor erreicht werden, dass Licht nicht nur lokal und somit mit hoher Intensität am Ende des Lichtleiters in die die Organismen aufnehmende Lösung eingekoppelt wird, sondern großflächiger entlang beispielswei- se der gesamten Manteloberfläche des Lichtleiters die Lösung mit Licht bestrahlt wird. Hierzu kann beispielsweise die außen liegende Oberfläche des Mantels gezielt aufgeraut werden, um ein seitliches Auskoppeln von Licht aus dem Lichtleiter zu provozieren. The jacket of the hollow optical waveguide can also be selectively designed such that light conducted in the cladding does not exit exclusively at the end faces of the optical waveguide, but a significant portion of this light is already coupled out laterally transversely to the waveguide to the outside. In this way, it can be achieved, for example, in a photobioreactor, that light is coupled not only locally and thus with high intensity at the end of the light guide into the solution receiving the organisms, but over a larger area along, for example, the entire mantle surface of the light guide the solution is irradiated with light. For this purpose, for example, the outer surface of the shell can be selectively roughened to provoke a lateral decoupling of light from the light guide.
Der hohle Lichtleiter bzw. die Lichtleiteranordnung, wie sie zuvor beschrieben wurden, können insbesondere für einen Photobioreaktor vorteilhaft verwendet werden, um in diesem Organismen mit Licht und Nährstoffen zu versorgen. Der Photobioreaktor kann hierbei gemäß einer Ausführungsform eine Lichtquelle aufweisen, welche derart mit zumindest einem der Lichtleiter verbunden ist, dass Licht von der Lichtquelle in den Lichtleiter eingekoppelt und über den Lichtleiter in die mit Organismen versetzte Lösung transferiert werden kann. Der Photobioreaktor kann ferner eine Nährstoffquelle aufweisen, welche derart mit zumindest einem der Lichtleiter verbunden ist, dass Nährstoffe von der Nährstoffquelle in den hohlen Kern des Lichtleiters eingebracht und über diesen in die mit Organismen versetzte Lösung transferiert werden können. The hollow light guide or the light guide arrangement, as described above, can be advantageously used, in particular for a photobioreactor, to supply light and nutrients in this organism. According to one embodiment, the photobioreactor may have a light source which is connected to at least one of the light guides so that light from the light source can be coupled into the light guide and transferred via the light guide into the solution containing organisms. The photobioreactor may further comprise a nutrient source connected to at least one of the light guides such that nutrients may be introduced from the nutrient source into the hollow core of the light pipe and transferred thereinto into the organism-added solution.
In einer speziellen Ausführungsform kann der Photobioreaktor eine Mehrzahl verschiedener Nährstoffquellen und eine Mehrzahl verschiedener Lichtleiter aufweisen, wobei jede der Nährstoffquellen zum Bereitstellen eines flüssigen oder eines gasförmigen Nährstoffes ausgebildet ist und derart mit zumindest einem der Lichtleiter verbunden ist, dass Nährstoffe von der Nährstoffquelle in den hohlen Kern des Lichtleiters eingebracht und über diesen in die mit Organismen versetzte Lösung transferiert werden können. Hierbei kann insbesondere vorteilhaft genutzt werden, dass je nachdem, welche Art von Nährstoff von einer Nährstoffquelle in die Lösung transferiert werden soll, ein anderer Lichtleiter mit anderen Eigenschaften verwendet werden kann. Beispielsweise kann zum Transferieren von Gas ein hohler Lichtleiter mit dünnerem Kerndurchmesser verwendet werden als zum Transferieren von in einer flüssigen Lösung aufgenommenen Nährstoffen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Photobioreaktor ferner eine Saugvorrichtung aufweisen, welche dazu ausgebildet und derart mit zumindest einem der Lichtleiter verbunden ist, dass mit ihrer Hilfe mit Organismen versetzte Lösung aus dem Behälter durch den hohlen Kern des Lichtleiters hindurch angesaugt werden kann und anschließend für eine Analyse der mit Organismen versetzten Lösung bereitgestellt werden kann. Mit anderen Worten kann der hohle Lichtleiter nicht nur dazu vorgesehen sein, Licht und Nährstoffe in den Behälter des Photobioreaktors einzubringen, sondern auch in umgekehrter Richtung kann mit Organismen versetzte Nährlösung über den hohlen Lichtleiter aus dem Behälter entnommen werden, um diese beispielsweise analysieren zu können. In a specific embodiment, the photobioreactor may comprise a plurality of different nutrient sources and a plurality of different light guides, each of the nutrient sources configured to provide a liquid or gaseous nutrient and connected to at least one of the light guides to deliver nutrients from the nutrient source to the hollow Inserted core of the light guide and can be transferred via this in the organisms mixed with solution. In this case, it can be used to particular advantage that, depending on which type of nutrient is to be transferred from one nutrient source into the solution, another light guide with different properties can be used. For example, for transferring gas, a hollow optical fiber having a thinner core diameter may be used than for transferring nutrients received in a liquid solution. According to a further embodiment, the photobioreactor may further comprise a suction device, which is designed and connected to at least one of the light guides so that it can be sucked with the aid of organisms displaced solution from the container through the hollow core of the light guide therethrough and then for a Analysis of the solubilized solution can be provided. In other words, the hollow light guide can not only be provided to introduce light and nutrients into the container of the photobioreactor, but also in the opposite direction can be removed from the container via the hollow light guide, for example, to analyze them with organisms displaced nutrient solution.
Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Vorteile und Merkmale von Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf einen erfindungsgemäßen hohlen Lichtleiter, teilweise mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Lichtleiteranordnung, teilweise mit Bezug auf einen erfindungsgemäßen Photobioreaktor, teilweise mit Bezug auf ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Photobioreaktors und teilweise mit Bezug auf ein Verfahren zum Fertigen eines Lichtleiters beschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass die verschiedenen Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, ausgetauscht oder analog übertragen werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen. It should be noted that possible advantages and features of embodiments of the invention herein are described in part with reference to a hollow optical fiber according to the invention, partially with respect to an optical fiber assembly according to the invention, partly with respect to a photobioreactor according to the invention, with reference in part to a method of operating such Photobioreactor and are described in part with reference to a method for manufacturing a light guide. One skilled in the art will recognize that the various features may be suitably combined, interchanged or otherwise analogously conveyed to provide further embodiments of the invention.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Beschreibung noch die Zeichnungen als die Erfindung einschränkend auszulegen sind. Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings, wherein neither the description nor the drawings are to be construed as limiting the invention.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines hohlen Lichtleiters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines hohlen Lichtleiters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 shows a cross-sectional view of a hollow optical fiber according to an embodiment of the present invention. Fig. 2 shows a perspective view of a hollow light guide according to an embodiment of the present invention.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Lichtleiteranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. FIG. 3 is a perspective view of an optical fiber assembly according to an embodiment of the present invention. FIG.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer gewobenen Lichtleiteranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 shows a perspective view of a woven light guide assembly according to another embodiment of the present invention.
Fig. 5 zeigt einen Photobioreaktor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 5 shows a photobioreactor according to an embodiment of the present invention.
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den unterschiedlichen Figuren gleiche bzw. gleich wirkende Merkmale. The figures are only schematic and not to scale. Identical reference symbols designate identical or identically acting features in the different figures.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
In den Fig. 1 und 2 ist eine Querschnittsansicht bzw. eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen länglichen hohlen Lichtleiters 1 dargestellt. Der Lichtleiter 1 weist einen Mantel 3 aus transparentem Kunststoff auf, der einen hohlen Kern 5 umschließt. Der Mantel 3 ist zylindrisch und verfügt über einen Außendurchmesser Da von beispielsweise 1 cm. Ein Innendurchmesser D, des Mantels 3 entspricht dem Durchmesser des hohlen Kerns 5 und beträgt beispielsweise 0,5 cm. 1 and 2 is a cross-sectional view and a perspective view of an elongate hollow optical fiber 1 according to the invention. The light guide 1 has a jacket 3 made of transparent plastic, which encloses a hollow core 5. The jacket 3 is cylindrical and has an outside diameter D a of, for example, 1 cm. An inner diameter D, of the shell 3 corresponds to the diameter of the hollow core 5 and is for example 0.5 cm.
In dem Mantel 3 des Lichtleiters 1 sind zumindest in einem Teilbereich mehrere durchgehende Öffnungen 7 ausgebildet, über die der hohle Kern 5 mit der Umge- bung in Verbindung steht und insbesondere Fluide austauschen kann. Die Öffnungen 7 weisen beispielsweise einen Durchmesser d von wenigstens 0,5 mm auf. Die Öffnungen 7 sind dabei in dem Mantel beabstandet voneinander angeordnet, wobei ein Abstand zwischen benachbarten Öffnungen 7 vorzugsweise deutlich größer ist als der Durchmesser d der Öffnungen 7, um die Stabilität des Lichtleiters 1 nicht übermäßig zu schwächen. In the jacket 3 of the optical waveguide 1, a plurality of through openings 7 are formed at least in one subregion, via which the hollow core 5 is connected to the circumference. tion and in particular can exchange fluids. The openings 7 have, for example, a diameter d of at least 0.5 mm. The openings 7 are arranged spaced apart from each other in the shell, wherein a distance between adjacent openings 7 is preferably significantly greater than the diameter d of the openings 7 in order not to unduly weaken the stability of the light guide 1.
Im in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist der Mantel 3 des Lichtleiters 1 an einer Stirnfläche (in Fig. 1 auf der rechten Seite) verschlossen. In the example shown in FIG. 1, the jacket 3 of the optical waveguide 1 is closed on an end face (in FIG. 1 on the right-hand side).
Der Lichtleiter 1 kann beispielsweise in einem Photobioreaktor eingesetzt werden, um sowohl Licht 13 als auch Nährstoffe 15 von außen in einen Behälter im Innern des Photobioreaktors einbringen zu können. The light guide 1 can be used, for example, in a photobioreactor in order to be able to introduce both light 13 and nutrients 15 from the outside into a container in the interior of the photobioreactor.
Das Licht 13 wird dabei in den Lichtleiter 1 , insbesondere in dessen Mantel 3, von einer Lichtquelle kommend eingekoppelt und kann dann, ähnlich wie bei herkömmlichen Lichtleitern, entlang des Lichtleiters 1 propagieren. Der Lichtleiter 1 ist dabei vorzugsweise gezielt dazu angepasst, dass das Licht 13 nicht von einem Ende bis zum anderen Ende komplett durch den Lichtleiter 1 hindurchpropagiert, sondern dass es entlang des Lichtleiters 1 sukzessive und vorzugsweise kontinuierlich nach außen aus dem Mantel 3 ausgekoppelt wird, wie in Fig. 1 durch die Pfeile 19 angedeutet. Das Licht 13 braucht somit nicht lokal am Ende des Lichtleiters 1 ausgekoppelt werden, sondern kann entlang der gesamten Außenoberfläche des Mantels 3 ausgekoppelt werden und somit die in dem Behälter des Photobioreaktors enthaltene mit Organismen versetzte Lösung großflächig beleuchten. The light 13 is thereby coupled into the light guide 1, in particular in its jacket 3, coming from a light source and can then propagate along the light guide 1, similar to conventional light guides. The optical waveguide 1 is preferably adapted specifically for the fact that the light 13 is not completely propagated through the optical waveguide 1 from one end to the other end, but that it is successively coupled out of the cladding 3 along the optical waveguide 1, preferably continuously outwards indicated by the arrows 19 in Fig. 1. The light 13 thus need not be coupled out locally at the end of the light guide 1, but can be coupled along the entire outer surface of the jacket 3 and thus illuminate the solution contained in the container of the photobioreactor containing organisms solution over a large area.
In ähnlicher Weise sind auch die Öffnungen 7 über den Mantel 3 des Lichtleiters 1 hin vorzugsweise gleichmäßig verteilt, so dass die im hohlen Kern 5 transferierten Nährstoffe 15 entlang der Länge des Lichtleiters 1 vorzugsweise gleichmäßig durch die Vielzahl von Öffnungen 7 nach außen hin austreten können und die in der umgebenden Lösung enthaltenen Organismen versorgt werden können. Similarly, the openings 7 are also distributed evenly over the jacket 3 of the light guide 1, so that the nutrients 15 transferred in the hollow core 5 are preferably uniform along the length of the light guide 1 through the plurality of openings 7 can escape to the outside and the organisms contained in the surrounding solution can be supplied.
Mithilfe des Lichtleiters 1 kann somit gleichzeitig sowohl Licht als auch Nährstoffe, beispielsweise in Form von Gasen, Flüssigkeiten und darin gelösten Spurenelementen, in einen Photobioreaktor eingebracht werden. Ebenso kann mit Organismen versetzte Nährlösung in umgekehrter Richtung aus dem Behälter des Bioreaktors abgesaugt werden, wie durch den Pfeil 17 angedeutet, um sie beispielsweise extern analysieren zu können. Thus, light and nutrients, for example in the form of gases, liquids and trace elements dissolved therein, can be simultaneously introduced into a photobioreactor with the aid of the light guide 1. Likewise, nutrient solution mixed with organisms can be sucked out of the container of the bioreactor in the reverse direction, as indicated by the arrow 17, so that it can be analyzed externally, for example.
In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Lichtleiteranordnung 21 dargestellt. Die Lichtleiteranordnung 21 weist ein Bündel 9 aus mehreren Lichtleitern 1 auf. Die Lichtleiter 1 weisen dabei unterschiedliche Außendurchmesser auf. Durch in die Kerne 5 von im Durchmesser kleineren Lichtleitern 1 können beispielsweise Gase wie zum Beispiel CO2 geleitet werden, wohingegen durch den hohlen Kern 5 eines Lichtleiters 1 mit größerem Durchmesser auch Flüssigkeiten geleitet werden können. Sowohl die Gase als auch die Flüssigkeiten können durch die Öffnungen 7 nach außen in eine beispielsweise im Photobioreaktor vorhandene Nährlösung austreten. In Fig. 3, an optical fiber assembly 21 according to the invention is shown. The light guide assembly 21 has a bundle 9 of a plurality of optical fibers 1. The light guides 1 have different outer diameters. By way of example, gases such as, for example, CO.sub.2 can be conducted through cores 5 of diameter-smaller light guides 1, whereas liquids can also be conducted through the hollow core 5 of a light conductor 1 with a larger diameter. Both the gases and the liquids can escape through the openings 7 to the outside into a nutrient solution present, for example, in the photobioreactor.
Fig. 4 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Lichtleiteranordnung 21 , bei der eine Vielzahl von Lichtleitern 1 zu einer Matte 1 1 verwoben sind. In Kett- und in Schussrichtung können hierbei gleiche oder unterschiedliche Arten von Lichtleitern 1 eingesetzt werden, wobei sich die Lichtleiter 1 insbesondere hinsichtlich ihres Durchmessers unterscheiden können. Insbesondere in Bereichen, in denen die Lichtleiter 1 innerhalb des Gewebes 1 1 am stärksten gekrümmt sind, kann es zur lokalen Auskopplung von in den Lichtleitern 1 geführtem Licht kommen, wie wiederum mit den Pfeilen 19 angedeutet, so dass Licht vorzugsweise über die gesamte Matte 1 1 hin und quer zu deren Oberfläche ausgekoppelt werden kann. Auf diese Weise kann zum Beispiel eine Nährlösung in einem Photobioreaktor großflächig beleuchtet werden. Fig. 4 shows an alternative embodiment of an optical fiber assembly 21, in which a plurality of optical fibers 1 are woven into a mat 1 1. In the warp and weft directions, the same or different types of optical fibers 1 can be used here, wherein the optical fibers 1 can differ in particular with respect to their diameter. In particular, in areas where the optical fibers 1 within the fabric 1 1 are most curved, it may come to the local coupling of guided in the optical fibers 1 light, as indicated in turn by the arrows 19, so that light preferably over the entire mat. 1 1 back and forth to the surface can be coupled out. On This way, for example, a nutrient solution in a photobioreactor can be illuminated over a large area.
Fig. 5 veranschaulicht schematisch einen Photobioreaktor 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Photobioreaktor 100 weist einen Behälter 23 auf, in dem phototrophe Organismen in einer Lösung 25 aufgenommen werden können. In dem Behälter 23 sind mehrere Lichtleiter 1 aufgenommen, um die phototrophen Organismen sowohl mit Licht als auch mit Nährstoffen versorgen zu können. Der Photobioreaktor 1 verfügt ferner über wenigstens eine Lichtquelle 27 sowie über wenigstens eine Nährstoffquelle 45, 47. FIG. 5 schematically illustrates a photobioreactor 100 according to an embodiment of the present invention. The photobioreactor 100 has a container 23 in which phototrophic organisms can be taken up in a solution 25. In the container 23, a plurality of optical fibers 1 are included in order to provide the phototrophic organisms with both light and nutrients. The photobioreactor 1 further has at least one light source 27 and at least one nutrient source 45, 47.
Die Lichtquelle 27 kann eine oder mehrere Komponenten zum künstlichen Erzeugen von Licht oder zum Einsammeln natürlich erzeugten Lichts und anschließendem Einkoppeln dieses Lichts in einen gemeinsamen Lichtleiter 1 zum Versorgen des Bioreaktors 100 aufweisen. Einerseits kann die Lichtquelle 27 dabei als eine Lichtquelle 29 zum Sammeln und Einkoppeln von Sonnenlicht in den Lichtleiter ausgestaltet sein. Hierzu kann die Lichtquelle 29 beispielsweise als Sonnenkollektor 30 mit einem Hohlspiegel ausgestaltet sein, der Sonnenlicht auf einen Empfänger fokussiert. Zusätzlich oder alternativ kann die Lichtquelle 27 als künstliche Lichtquelle 31 ausgebildet sein, bei der beispielsweise mithilfe einer LED 32 oder eines Lasers 33 Licht erzeugt wird, welches anschließend auf eine Anordnung 35 aus einem Polarisator und einem Abschatter eingestrahlt wird, welche wiederum mit dem Lichtleiter 1 hin zum Behälter 23 des Photobioreaktors 1 verbunden ist. Die künstliche Lichtquelle 31 kann dabei beispielsweise mit elektrischem Strom aus alternativen Quellen wie Windkraft 39 oder Solarzellen 41 oder alternativ durch konventionellen Strom 43 versorgt werden. Der elektrische Strom kann hierbei beispielsweise über eine Pufferbatterie 37 zwischengespeichert werden, so dass die künstliche Lichtquelle 31 den Photobioreaktor 100 auch bei mangelndem Sonnenschein belichten kann. Erfindungsgemäß werden die Lichtleiter 1 jedoch nicht nur dazu verwendet, von der Lichtquelle 27 empfangenes Licht ins Innere des Behälters 23 und die darin enthaltene, mit Organismen versetzte Lösung 25 zu transferieren. Ergänzend sind Nährstoffquellen 45, 47 mit den Lichtleitern 1 und insbesondere mit deren hohlem Kern 5 verbunden. Von diesen Nährstoffquellen 45, 47 wird zum Beispiel CO2 und eine weitere Nährstoffe enthaltende Nährlösung in das Innere der hohlen Lichtleiter 1 eingespeist und über die hohlen Kerne 5 dann in den Behälter 23 transferiert. Dort können die Nährstoffe über die Öffnungen 7 aus den hohlen Lichtleitern 1 austreten. The light source 27 may include one or more components for artificially generating light or collecting naturally generated light, and then coupling that light into a common light guide 1 to power the bioreactor 100. On the one hand, the light source 27 can be configured as a light source 29 for collecting and coupling sunlight into the light guide. For this purpose, the light source 29 may be configured, for example, as a solar collector 30 with a concave mirror, which focuses sunlight on a receiver. Additionally or alternatively, the light source 27 may be formed as an artificial light source 31 in which, for example, by means of an LED 32 or a laser 33 light is generated, which is then irradiated to an array 35 of a polarizer and a shading, which in turn with the light guide. 1 is connected to the container 23 of the photobioreactor 1. The artificial light source 31 can be supplied, for example, with electric current from alternative sources such as wind power 39 or solar cells 41 or alternatively by conventional current 43. In this case, the electric current can be temporarily stored, for example, via a buffer battery 37, so that the artificial light source 31 can expose the photobioreactor 100 even in the absence of sunshine. However, according to the invention, the optical fibers 1 are not only used to transfer light received by the light source 27 into the interior of the container 23 and the organism-containing solution 25 contained therein. In addition, nutrient sources 45, 47 are connected to the light guides 1 and in particular to their hollow core 5. From these nutrient sources 45, 47, for example, CO2 and another nutrient-containing nutrient solution are fed into the interior of the hollow optical fibers 1 and then transferred via the hollow cores 5 into the container 23. There, the nutrients via the openings 7 escape from the hollow light guides 1.
In Umkehrung der Strömungsrichtung können die hohlen Lichtleiter 1 auch dazu verwendet werden, über eine Saugvorrichtung 49 mit Organismen versetzte Lösung 25 aus dem Behälter 23 abzusaugen, um diese beispielsweise analysieren zu können. Die Lösung 25 wird dabei durch die Öffnungen 7 in den Lichtleitern 1 in deren Kern 5 gesogen und dann aus dem Innern des Behälters 23 heraus beispielsweise hin zu einer Analyseeinrichtung gepumpt. In reversal of the direction of flow, the hollow optical fibers 1 can also be used to suck solution 25 containing organisms via a suction device 49 out of the container 23 so that it can be analyzed, for example. The solution 25 is sucked through the openings 7 in the optical fibers 1 in the core 5 and then pumped out of the interior of the container 23 out, for example, to an analysis device.
Um die aus den hohlen Lichtleitern 1 austretenden Nährstoffe gleichmäßig innerhalb des gesamten Behälters 23 verteilen zu können, ist ferner ein Rührwerk 51 vorgesehen, mithilfe dessen die Lösung 25 permanent umgewälzt werden kann. In order to be able to distribute the nutrients emerging from the hollow optical fibers 1 uniformly within the entire container 23, an agitator 51 is also provided, by means of which the solution 25 can be permanently circulated.
Um einen erfindungsgemäßen hohlen Lichtleiter herzustellen, kann zunächst ein Lichtleiter, bei dem ein Mantel 3 aus transparentem Material einen hohlen Kern 5 umgibt, bereitgestellt werden. Hierbei sollte der hohle Kern 5 vorzugsweise einen Durchmesser von wenigstens 1 mm, stärker bevorzugt von wenigstens 3 mm oder 1 cm, aufweisen. Anschließend können in dem Mantel 3 des Lichtleiters 1 mehrere Öffnungen 7 erzeugt werden. Hierzu kann der Mantel lokal mit einem Laser ausreichender Leistungsdichte bestrahlt werden, so dass Material des Mantels 3 lokal entfernt wird und die Öffnungen 7 entstehen. Ein Durchmesser und eine Leistung des hierfür verwendeten Lasers kann geeignet gewählt werden, dass sich Öffnun- gen mit einem Durchmesser von wenigstens 0,5 mm bilden. Wenn der Lichtleiter 1 in diesem Verarbeitungsstadium bereits hohl ist, dann können mit einer einzigen Laserbestrahlung gleichzeitig zwei Öffnungen 7 in gegenüberliegenden Bereichen des Mantels 3 erzeugt werden. In order to produce a hollow optical waveguide according to the invention, first an optical waveguide in which a cladding 3 of transparent material surrounds a hollow core 5 can be provided. Here, the hollow core 5 should preferably have a diameter of at least 1 mm, more preferably at least 3 mm or 1 cm. Subsequently, a plurality of openings 7 can be generated in the jacket 3 of the light guide 1. For this purpose, the jacket can be locally irradiated with a laser of sufficient power density, so that material of the jacket 3 is locally removed and the openings 7 are formed. A diameter and a power of the laser used for this purpose can be suitably chosen such that openings form with a diameter of at least 0.5 mm. If the optical waveguide 1 is already hollow in this processing stage, then two openings 7 can be produced simultaneously in opposite regions of the cladding 3 with a single laser irradiation.
BEZUGSZEICHENLISTE LIST OF REFERENCE NUMBERS
I Lichtleiter I light guide
3 Mantel 3 coat
5 hohler Kern  5 hollow core
7 Öffnungen  7 openings
9 Bündel  9 bundles
I I Matte  I'm a mat
13 Licht 13 light
15 Nährstoffe  15 nutrients
17 Nährlösung zur Analyse  17 Nutrient solution for analysis
19 seitlich ausgekoppeltes Licht  19 side-coupled light
21 Lichtleiteranordnung  21 optical fiber arrangement
23 Behälter  23 containers
25 Nährlösung  25 nutrient solution
27 Lichtquelle  27 light source
29 natürliche Lichtquelle  29 natural light source
30 Sonnenkollektor  30 solar panel
31 künstliche Lichtquelle  31 artificial light source
32 LED  32 LED
33 Laser  33 lasers
35 Anordnung aus Polarisator und Abschatter 35 Arrangement of polarizer and shader
37 Pufferbatterie 37 buffer battery
39 Wind kraft  39 wind force
41 Solarzellen  41 solar cells
43 konventioneller Strom  43 conventional electricity
45 Nährstoffquelle  45 nutrient source
47 Nährstoffquelle  47 Nutrient source
49 Saugvorrichtung  49 suction device
51 Rührwerk Őhotobioreaktor 51 agitator Őhotobioreaktor

Claims

Patentansprüche claims
1. Länglicher hohler Lichtleiter (1 ) mit einem Mantel (3) aus transparentem Material, welcher einen hohlen Kern (5) umgibt, An elongated hollow optical waveguide (1) having a cladding (3) of transparent material surrounding a hollow core (5),
wobei der hohle Kern einen Durchmesser (Di) von wenigstens 1 mm, vorzugsweise wenigstens 1cm, aufweist und wherein the hollow core has a diameter (Di) of at least 1 mm, preferably at least 1 cm, and
wobei in dem Mantel eine Vielzahl von Öffnungen (7) mit einem Durchmesser (d) von wenigstens 0,5mm, vorzugsweise wenigstens 1 mm, ausgebildet ist. wherein in the shell a plurality of openings (7) with a diameter (d) of at least 0.5 mm, preferably at least 1 mm, is formed.
2. Lichtleiter nach Anspruch 1 , wobei der Mantel aus Kunststoff besteht. 2. Optical fiber according to claim 1, wherein the sheath consists of plastic.
3. Lichtleiter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Mantel aus einem Material besteht, welches schädigungsfrei bis auf wenigstens 60°C erhitzbar ist. 3. The light guide according to claim 1 or 2, wherein the sheath consists of a material which is harmless to at least 60 ° C heated.
4. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Mantel an wenigstens einer Stirnfläche verschlossen ist. 4. Optical fiber according to one of claims 1 to 3, wherein the jacket is closed at least one end face.
5. Lichtleiteranordnung (21 ), aufweisend eine Mehrzahl von Lichtleitern (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4. 5. optical fiber arrangement (21), comprising a plurality of optical fibers (1) according to one of claims 1 to 4.
6. Lichtleiteranordnung nach Anspruch 5, wobei die Lichtleiter verschiedene Außendurchmesser (Da) aufweisen. 6. optical fiber arrangement according to claim 5, wherein the optical fibers have different outer diameter (Da).
7. Lichtleiteranordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Lichtleiter zu einem Bündel (9) zusammengefasst sind. 7. optical fiber arrangement according to claim 5 or 6, wherein the optical fibers are combined to form a bundle (9).
8. Lichtleiteranordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Lichtleiter miteinander zu einer Matte (11 ) verwoben sind. 8. optical fiber arrangement according to claim 5 or 6, wherein the optical fibers are woven together to form a mat (11).
9. Photobioreaktor (100) aufweisend: einen Behälter (23) zur Aufnahme von Organismen in einer Lösung (25), und wenigstens einen Lichtleiter (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 oder eine Lichtleiteranordnung (21 ) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8 zur Versorgung der Organismen in dem Behälter mit Licht und Nährstoffen. 9. Photobioreactor (100) comprising: a container (23) for receiving organisms in a solution (25), and at least one light guide (1) according to any one of claims 1 to 4 or a light guide assembly (21) according to any one of claims 5 to 8 for supplying the organisms in the container with light and nutrients.
10. Photobioreaktor nach Anspruch 9, ferner aufweisend: The photobioreactor of claim 9, further comprising:
eine Lichtquelle (27), welche derart mit zumindest einem der Lichtleiter verbunden ist, dass Licht von der Lichtquelle in den Lichtleiter eingekoppelt und über den Lichtleiter in die mit Organismen versetzt Lösung transferiert werden kann, und - eine Nährstoffquelle (45, 47) , welche derart mit zumindest einem der Lichtleiter verbunden ist, dass Nährstoffe von der Nährstoffquelle in den hohlen Kern des Lichtleiters eingebracht und über diesen in die mit Organismen versetzte Lösung transferiert werden können. a light source (27) connected to at least one of the light guides such that light from the light source can be coupled into the light guide and transferred via the light guide into the solution containing organisms, and - a nutrient source (45, 47) is connected to at least one of the optical fibers so that nutrients can be introduced from the nutrient source in the hollow core of the light guide and transferred via this in the organisms with added solution.
11. Photobioreaktor nach Anspruch 10, aufweisend eine Mehrzahl verschiedener Nährstoffquellen und eine Mehrzahl verschiedener Lichtleiter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jede der Nährstoffquellen zum Bereitstellen eines flüssigen oder eines gasförmigen Nährstoffes ausgebildet ist und derart mit zumindest einem der Lichtleiter verbunden ist, dass Nährstoffe von der Nährstoffquelle in den hohlen Kern des Lichtleiters eingebracht und über diesen in die mit Organismen versetzte Lösung transferiert werden können. 11. The photobioreactor according to claim 10, comprising a plurality of different nutrient sources and a plurality of different light guides according to one of claims 1 to 4, wherein each of the nutrient sources is adapted to provide a liquid or a gaseous nutrient and is connected to at least one of the light guides Nutrients from the nutrient source can be introduced into the hollow core of the light guide and transferred via this into the solution containing organisms.
12. Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , ferner aufweisend eine Saugvorrichtung (49), welche dazu ausgebildet und derart mit zumindest einem der Lichtleiter verbunden ist, um mit Organismen versetzte Lösung aus dem Behälter durch den hohlen Kern des Lichtleiters anzusaugen und für eine Analyse der mit Organismen versetzten Lösung bereitzustellen. 12. Photobioreactor according to one of claims 9 to 11, further comprising a suction device (49) which is formed and connected to at least one of the light guide to suck in organisms displaced solution from the container through the hollow core of the light guide and for a To provide analysis of the solution containing organisms.
13. Verfahren zum Betreiben eines Photobioreaktors (100) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, aufweisend: Einbringen von Licht (13) über den Lichtleiter (1 ) in die mit Organismen versetzte Lösung (25), und 13. A method of operating a photobioreactor (100) according to any one of claims 9 to 12, comprising: Introducing light (13) via the light guide (1) into the solubilized solution (25), and
Einbringen von Nährstoffen (15) über den hohlen Kern (5) des Lichtleiters in die mit Organismen versetzte Lösung.  Introducing nutrients (15) via the hollow core (5) of the light guide into the organism-added solution.
14. Verfahren nach Anspruch 13, ferner aufweisend: 14. The method of claim 13, further comprising:
Ansaugen von mit Organismen versetzter Lösung aus dem Behälter durch den hohlen Kern des Lichtleiters und Bereitstellen der angesaugten Lösung für eine Analyse der mit Organismen versetzten Lösung.  Aspirate solubilized solution from the container through the hollow core of the light pipe and provide the aspirated solution for analysis of the solution containing organisms.
15. Verfahren zum Fertigen eines Lichtleiters (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend: 15. A method for manufacturing a light guide (1) according to one of claims 1 to 4, comprising:
Bereitstellen eines hohlen Lichtleiters (1 ) mit einem Mantel (3) aus transparentem Material, welcher einen hohlen Kern (5) umgibt, und  Providing a hollow optical fiber (1) with a sheath (3) of transparent material surrounding a hollow core (5), and
Erzeugen einer Vielzahl von Öffnungen (7) mit einem Durchmesser von wenigstens 0,5mm, vorzugsweise wenigstens 1 mm, in dem Mantel durch Laserbestrahlung.  Producing a plurality of openings (7) having a diameter of at least 0.5 mm, preferably at least 1 mm, in the cladding by laser irradiation.
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