WO1997011154A1 - Rotierender solar-photobioreaktor zur produktion von algenbiomasse aus insbesondere kohlendioxidhaltigen gasen - Google Patents

Rotierender solar-photobioreaktor zur produktion von algenbiomasse aus insbesondere kohlendioxidhaltigen gasen Download PDF

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WO1997011154A1
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algae
rotating solar
algal
photobioreactor according
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PCT/EP1996/004135
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Michael Melkonian
Rainer Peters
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Michael Melkonian
Rainer Peters
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    • A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G33/00—Cultivation of seaweed or algae
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    • C12M25/06—Plates; Walls; Drawers; Multilayer plates
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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A40/00—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production
    • Y02A40/80—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production in fisheries management

Definitions

  • the invention relates to a rotating solar photobioreactor for the production of algal biomass from, in particular, gases containing carbon dioxide.
  • photobioreactors for the production of algal biomass range in different sizes from open systems to closed systems, from high-tech controlled systems to simple tanks.
  • the economic viability of such systems is mainly determined by the high-quality products that are obtained from the cultivated algae biomass or by their cleaning performance for polluted waters.
  • the previous photobioreactors are primarily not designed to purify exhaust gases and thereby use their carbon dioxide content.
  • a major problem with photobioreactors is the photoinhibition of the algae if they are exposed to light for too long a period. For constant photosynthesis, it is necessary that the algae are temporarily shadowed. This is z. B. achieved in that the algae circulate in a suspension and are thus darkened temporarily.
  • Such photobioreactors can only be operated with mechanically insensitive algae, since the algae are exposed to mechanical loads, in particular shear forces, during circulation and / or circulation.
  • a thick algae substrate therefore has a comparatively high proportion of algae which do not contribute to the production of algae biomass, which is why these photobioreactors have only a limited degree of efficiency.
  • the object of the invention is to increase the efficiency of solar bioreactors for the production of algal biomass.
  • the invention proposes a rotating solar photobioreactor which is provided with a frame, a substrate for algae which is rotatably mounted on the frame and on which the algae remain during their growth and the sunlight of different types ⁇ intensity can be used intermittently, a drive device for rotatingly driving the algal substrate and - a nutrient medium supply device for supplying a nutrient medium to the algal substrate.
  • the gas-permeable algal substrate is rotatably arranged on a frame.
  • the algae substrate is set in rotation about its axis of rotation by means of a drive device.
  • the drive device can be designed as a separate element of the rotating solar photoborector or, as it were, is an integral part of the algal substrate, which is then designed in such a way that it detects the wind and / or converts the gas flow and / or a medium or liquid supply to which it is exposed into rotational energy.
  • the algal substrate is supplied with a nutrient medium by means of the feed device.
  • Crucial to the invention is the fact that the algal substrate rotates.
  • the individual surface areas of the algal substrate are alternately exposed to the predominantly laterally incident sunlight of different intensities and, due to the construction, are shaded or exposed to diffuse sunlight (weak light).
  • the algae remain on the substrate throughout their growth. Continuous rewetting of the substrate with algae, which are kept in suspension in a circulation or circulation system, is therefore not planned until harvest. Only when harvesting are the algae z. B. detached from the substrate by a controllable desorption. So z. B.
  • Desorption liquid (via the nutrient medium supply device) are applied to the algal substrate; at this point in time, no nutrient medium reaches the substrate via the feed device.
  • a separate application or supply device can also be provided for the application of the desorption medium to the algal substrate.
  • the algae substrate is fanned out, that is to say it has an extremely large surface area, and is designed in particular in the manner of a paddle wheel with a zigzag-shaped course of the material of the web.
  • the individual lamellae of the algae substrate web material provide the necessary shading against one another or are temporarily exposed to sunlight of different intensities over the entire surface. This intermittent exposure to predominantly laterally incident sunlight is determined by the arrangement or type and rotation of the algal substrate.
  • the rotating solar photo-bioreactor is completely exposed to the sun, which applies in particular to the algal substrate.
  • algae substrates from 0.1 to 5 mm which are as thin as possible and on which the algae remain for the duration of their growth and thus for the duration of the production of algal biomass, that is to say until harvesting.
  • the photoinhibition of the algae on the thin algae substrate is prevented by the design, since the algae substrate is designed in such a way that it is intermittently exposed to sunlight of varying intensity by self-shadowing.
  • a circulating or continuously circulated algae suspension is therefore not provided for by the invention.
  • the selection of algae which can be used in the photobioreactor according to the invention is thus expanded insofar as algae which are sensitive to mechanical loads can also be used.
  • the photobioreactor according to the invention optimizes the use of gases containing carbon dioxide, in particular exhaust gases, in order to increase the production of algal biomass by utilizing the sunlight. This does not primarily occur for the production of high-quality, pure products, but in particular in order to use the biomass obtained as an energy source by burning it or using it to produce biodiesel or biogas.
  • the combustion of these products to usable energy provides exhaust gases which can be recycled in a cycle process for the production of algae biomass.
  • the algae substrate is in the form of a hollow cone. formed formed support structure. Regardless of the design of the supporting structure, it should be gas-permeable, so that the algae substrate held by the supporting structure, which is in particular thin web material (non-woven cloth or the like, for example with a thickness of 0.1 to 5 mm) is always flowable through the gas.
  • the supporting structure has a cage which has two end walls which are connected to one another via external and internal rods.
  • the web material then runs, in particular in a zigzag shape, between these outer and inner holding rods and is held by the cage in this way.
  • This construction in which the cage is particularly cylindrical, makes it possible to accommodate algae. Substrate web material while creating an extremely large surface area and minimal space requirements.
  • the nutrient supply device is designed as a unit which is fixed to the frame and on which the algal substrate moves. In this way, the entire surface of the algal substrate is wetted once with nutrient medium per revolution.
  • the nutrient supply device is a spray device for spraying nutrient medium onto the algal substrate.
  • the algae substrate is preferably gimbally suspended on the frame at its axis of rotation, so that it can oscillate freely when rotating, which is advantageous depending on the prevailing wind (the algae substrate is particularly exposed to sunlight and thus to the environment and is exposed on all sides).
  • the algal substrate reactor can be arranged freely without being surrounded by a housing or the like. If such a housing is used, it should have at least one section that is transparent to sunlight (opening or transparent Wall element, both in particular with optical elements for capturing light, such as. B. lenses, prisms or the like, provided), on which the algal substrate moves past. This also exposes the individual areas of the algal substrate to light of different intensities.
  • the algal substrate is surrounded by a housing, which is partially provided with at least one opening or a transparent wall section (both in particular provided with optical elements such as lenses, prisms or the like), it is also possible that the housing rotates (slowly) in order to track the time of day in the sun.
  • the axis of rotation around which the algal substrate rotates can be horizontal, vertical or inclined in space.
  • the planes in which the algal substrate extends are arranged parallel to the axis of rotation.
  • the algae substrate is in particular designed in the manner of a blade or impeller, the essentially radially extending blades or vanes of which are formed by the algae substrate or are covered with an algae substrate.
  • the photosynthesis of the algae enables the binding of carbon dioxide from exhaust gases from a wide variety of combustion processes.
  • the climate-threatening use of fossil fuels can be gradually replaced within the same existing technology by regenerative energy from biomass by gradually increasing the proportion of algae biomass in the fuels.
  • the area-related biomass yield is many times greater for algae than for higher plants and can be increased even further by these exhaust gases.
  • the residual heat from the exhaust gas is additionally used.
  • coal Optimally supply dioxide from, for example, exhaust gas to the algae, which at the same time receive sufficient photosynthetically active radiation (PhAR) from the sunlight.
  • PhAR photosynthetically active radiation
  • the biomass harvesting method is preferably integrated in the system.
  • the yield per base area is additionally increased by a partially vertical arrangement of the reaction surfaces. Direct and diffuse sunlight are used.
  • the system can be easily adapted to the time of day and season of the sun, the geographical width or the special location conditions.
  • the construction is suitable for open land and greenhouses and requires comparatively little capital investment.
  • a "scale-up" of the plant for the power plant area is possible.
  • An optional modular connection of several reactors can increase the operational safety of continuous use. The use of environmentally compatible consumables and the combined use of other regenerative energies is possible.
  • covering material is expediently used, which is selected depending on the algae to be used and the desired products.
  • the covering material forms the reactor surface, which is used as a substrate by the algae. It should therefore be translucent and gas permeable and have a certain roughness depth to enlarge the substrate surface. A certain absorbency is desirable in order to reduce the technical effort required for uniform moistening of the reactor surface.
  • a good liquid distribution is achieved by capillary forces in fleeces or fabrics. The size of the capillary spaces and the surface properties of the material must be adapted to the substrate requirements of the algae to be used in such a way that adhesion is achieved which prevents the algae from being rinsed out when the medium is added, but which nevertheless permits harvesting from this surface.
  • UV and weather resistance are further marginal conditions for cost-effective permanent use.
  • the energy balance of production and the natural degradability or recyclability of the materials are of interest for the ecological balance of the reactor.
  • Polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyester (PES) and polyacrylic appear to be suitable as raw materials. With a suitable arrangement of the substrate surfaces, a high absorbency can further minimize the pumping processes required for liquid distribution and thus contribute to a more positive energy balance.
  • the main component should consist of energy-efficient and inexpensive PP or PE, to which PES or polyacrylic can be added as an absorbent component.
  • the commercially available natural fiber products appear interesting from the point of view of their biodegradability, but they have a relatively unfavorable energy and cost balance.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of the structure of a solar photobio-reactor with a hollow cone-shaped algae substrate according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a plan view of a solar photobioreactor according to a third exemplary embodiment, in which the supporting structure for the algae substrate has a plurality of cassette holders for cassette inserts onto which an algae substrate Strat is stretched in the form of an endless belt, which is semi-cylindrical formed by cassette inserts, so that it can contribute to the use of wind energy or other currents to generate the rotation of the supporting structure.
  • the reactor 10 according to FIG. 1 has the shape of a rotating cone 11.
  • the cone jacket is covered with a material 12 which forms the exposed reaction surface and is moistened on both sides with nutrient medium (indicated at 13).
  • the material 12 is gas-permeable and light to transparent and represents the algal substrate on which the algae supplied with nutrient medium and CO 2 -containing gas grow.
  • the warm exhaust gas 14 is introduced into the hollow interior of the cone, which rises in the cone, partly flows past the algae through the substrate 12 and partly leaves the cone 11 through an opening 15 at the top.
  • the cone 11 is rotatably supported in an extension of its axis 16 on a frame 17 (only indicated). The rotation ensures an optimal distribution of light, carbon dioxide, nutrient medium and algae.
  • a circulation line 21 for nutrient medium opens into the sump 19, via which the excess nutrient medium together with nutrient medium from a storage container 22 connected to the circulation line 21 are fed to the upper end of the cone 11 in order to be applied to it.
  • a pump 24 draws in the excess nutrient medium and nutrient medium from the storage container 22.
  • the nutrient medium can C0 2 from z. B.
  • Exhaust gases are added.
  • An algae filter 23 is located in the circulation line 21 near the sump 19 in order to keep algae away from the nutrient medium circulation system.
  • the media feed may be provided to adjust the water and nutrient consumption so that it virtually completely ä constantly adsorbed on the reaction surface.
  • a collecting funnel and a circulating flow of nutrient medium are then not required.
  • the shape of the reactor can be determined by the distance and the circumference of two rings arranged at the ends of the hollow cone as well as transverse struts of the supporting structure 25 holding the film material, which form the framework for the reaction surfaces, which consist of the material mentioned above and which che are attached to these rings. This means that the alignment of the reaction surface with the angle of incidence of the sun or diffuse light can be optimized.
  • the biomass is harvested differently depending on the type of algae used:
  • the nutrient medium circulation system is used to supply pure desorption liquid to the algal substrate.
  • the circulation line 21 is shut off via a valve 26, which is connected between the line 27 coming from the nutrient medium reservoir 22 and the pump 24. Between the pump 24 and the valve 26, a line 27 'flows into the circulation line 21, which line can be shut off by a valve 28.
  • Netem valve 28 the circulation line 21 connected to a reservoir 29 for desorption liquid.
  • the pump 24 draws in desorption liquid from the storage container 29. This desorption liquid is applied to the algal substrate, whereby the algae are detached from the substrate 12 and together with the desorption liquid enter the sump 19 and can be removed from there via the outlet 20 and thus harvested.
  • the drive energy for the rotation of the reactor and for the pumping process can be obtained from the warm exhaust gas rising in the cone 11, from wind and solar energy or possible combinations. Because of the risk of faster drying out in the wind and because of the risk of photoinhibition if the solar radiation is too strong, the supply of the medium and the rotation of the reactor can be varied.
  • the structure of the cone shell can be changed in a derived form to increase the surface area and to increase the gas permeability so that it consists of many centripetal thin slats or cassettes, each of which leads from the upper fastening ring to the lower one. If their orientation to the cone axis is twisted so that they resemble the rotor blades of a Savonius rotor, such a reactor in the field is able to absorb its rotational energy from the wind.
  • the hanging gimbal construction allows the top of the reactor to be oriented in the wind direction when the wind is too strong, as a result of which the surface of the wind and the flow resistance of the reactor are minimized.
  • a second embodiment of a reactor 30 is shown.
  • the reactor 30 has a frame 32 which has a few evenly distributed vertical struts 34 and horizontal struts 36 connecting them to one another and in which an essentially cylindrical rotational body 38 is suspended and rotatably arranged.
  • the rotary body 38 has gas-permeable elements 40 at its front ends, between which outer holding rods 42 and inner holding rods 44 are arranged. Both the outer holding rods 42 and the inner holding rods 44 are each arranged uniformly distributed along circular lines.
  • an algae substrate 46 in the form of a thin, web-shaped non-woven material 48, which runs in a zigzag shape in the manner of a round filter, alternating around the outer and inner holding rods 42, 44, ie star-shaped or essentially similar to one Star shape is arranged.
  • Gas 50 is introduced into the frame 32 from below, so that when it rises through the frame 32 it flows along the vertical individual substrate surfaces 52 running in the gas flow direction.
  • a drive device 54 for rotatingly driving the rotary body 38 is arranged on the horizontal struts 36 of the frame 32.
  • the drive device 54 has a wind wheel 56.
  • the axis of rotation 58 of the drive device 54 has a universal joint 60 which is connected to the axis of rotation 62 of the rotary body 38. In this way, the rotating body 38 also rotates when it is caused to oscillate by lateral forces (for example wind forces).
  • One of the vertical struts 34 is provided with a nutrient supply device 64, which has individual nozzles 66, via which a nutrient medium that is pumped from a reservoir 68 is sprayed against the substrate moving past the nutrient supply device 64.
  • the reactor 30 according to FIGS. 2 and 3, as in the case of Fig. 1, can be added to supply the nutrient medium in the circuit. However, it is more advantageous to design the feed device such that a sufficient amount of nutrient medium is always sprayed onto the substrate without excess nutrient medium dripping off. As shown in FIG. 2, partial areas of the substrate 46 are always exposed to direct sunlight 70 when the rotating body 38 rotates in the direction of the arrow 72.
  • the lamellar successive individual substrate surfaces 52 shade each other in partial areas of the rotational movement of the substrate 46 or only allow exposure to diffuse sunlight (weak light). This alternating direct exposure, shadowing and diffuse exposure prevents the formation of photoinhibition of the algae anchored in the web material 64, so that they can regenerate again and again in order to have an optimal photosynthetic effect. A partial additional shade that is matched to the rotor speed can optimize this effect.
  • This reactor 80 has an upper plate 82 which is connected via an axis of rotation 84 to a lower congruent plate which cannot be seen in the plan view according to FIG. 4.
  • the upper plate 82 is mechanically reinforced by stiffening struts 86.
  • Drawers 88 which have a semicircular support arch 90, are located in the plate 82 between adjacent struts 86, which run essentially radially.
  • Identical semicircular support arches 90 are also located in the lower plate of the reactor 80; these brackets are also arranged on inserts of the lower plate.
  • the fleece-shaped algae substrate 92 is arranged between the semicircular holders of both plates.
  • Each insert 88 of the upper plate 82 also has two recesses 94, 96, of which the recess 94 is semicircular and is delimited by the mounting arch 90 and the strut 86 facing the inside of this mounting arch 90.
  • the second recess 96 is arranged between the apex of the mounting bracket 90 of an insert 88 and the strut 86 facing the outside of the mounting bracket 90.
  • there is a central feed channel system 98 for nutrient medium on the plate 86 which has an annular distribution channel and radial channels branching radially therefrom, which lead to the mounting bend 90 and guide the nutrient medium to the substrate 92.
  • the arc-shaped algae substrate films 96 are exposed between the plates connected to one another via the axis of rotation 84 (of which the upper plate 82 is shown in FIG. 4).
  • the semi-circularly stretched algae substrate foils 82 act like the rotor blades of a rotor which is set into rotation by the wind flowing past in accordance with arrow 100.
  • the incidence of sunlight occurs partly through the laterally open area of the reactor 80 and from above through the recesses 94 and 96 in the plate 82 of the reactor 80.

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Abstract

Der rotierende Solar-Photobioreaktor zur Produktion von Algenbiomasse aus insbesondere kohlendioxidhaltigen Gasen ist mit einem Gestell (32) versehen, welches ein um eine Drehachse (62) drehbar gelagertes gasdurchlässiges Algensubstrat (48) trägt, das dem vorwiegend seitlich einfallenden diffusen oder direkten Sonnenlicht aussetzbar ist. Ferner sind eine Antriebsvorrichtung (54) zum drehenden Antreiben des Algensubstrats (48) und eine Nährmedium-Zuführvorrichtung (64) zum Benetzen des Algensubstrats (48) mit einem Nährmedium vorgesehen.

Description

Rotierender Solar-Photobioreaktor zur Produktion von Alαenbiomasse aus insbesondere kohlendioxid¬ haltigen Gasen
Die Erfindung betrifft einen rotierenden Solar-Photobioreaktor zur Produktion von Algenbiomasse aus insbesondere kohlendioxid- haltigen Gasen.
Die verschiedensten Ausführungen von Photobioreaktoren zur Pro- duktion von Algenbiomasse reichen in unterschiedlichen Größen von offenen Systemen bis zu geschlossenen, von hochtechnisiert ge¬ steuerten Anlagen bis zu einfachen Becken. Die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen wird vorwiegend durch die hochwertigen Produkte bestimmt, die aus der kultivierten Algenbiomasse gewonnen werden oder durch ihre Reinigungsleistung für belastete Gewässer. Die bisherigen Photobioreaktoren sind primär nicht dafür ausgelegt, Abgase zu reinigen und dabei deren Gehalt an Kohlendioxid zu nut¬ zen.
Ein wesentliches Problem bei Photobioreaktoren besteht in der Photoinhibition der Algen, wenn diese über eine zu lange Zeitdau¬ er Licht ausgesetzt sind. Für eine gleichbleibende Photosynthese ist es erforderlich, daß die Algen zeitweise abgeschattet werden. Dies wird im Stand der Technik z. B. dadurch erreicht, daß die Algen in einer Suspension zirkulieren und dadurch zeitweise abge¬ dunkelt sind. Derartige Photobioreaktoren können lediglich mit mechanisch unempfindlichen Algen betrieben werden, da die Algen beim Zirkulieren und/oder Umwälzen mechanischen Belastungen, ins¬ besondere Scherkräften ausgesetzt sind.
Wenn die Algen permanent Licht ausgesetzt sind, entsteht im Ober¬ flächenbereich eine Photoinhibition der Algen, so daß diese Algen zur Erzeugung von Algenbiomasse nur geringfügig beitragen. Ledig- lieh die Algen in den tiefer gelegenen Schichtenbereichen können noch effektiv wachsen und damit Algenbiomasse erzeugen. Ein dik- kes Algensubstrat weist also einen vergleichsweise hohen Anteil an nicht zur Algenbiomasseproduktion beitragenden Algen auf, wes¬ halb diese Photobioreaktoren lediglich über einen begrenzten Wir¬ kungsgrad verfügen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz von So- lar-Bioreaktoren zur Produktion von Algenbiomasse zu erhöhen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein rotierender Solar-Photobioreaktor vorgeschlagen, der versehen ist mit einem Gestell, einem um eine Drehachse drehbar an dem Gestell gelagerten Substrat für Algen, auf dem die Algen während ihres Wachs¬ tums verbleiben und das Sonnenlicht unterschiedlicher In¬ tensität intermittierend aussetzbar ist, einer Antriebsvorrichtung zum drehenden Antreiben des Al¬ gensubstrats und - einer Nährmedium-Zuführvorrichtung zum Zuführen eines Nähr¬ mediums zu dem Algensubstrat.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das gasdurchlässige Algensubstrat drehbar an einem Gestell angeordnet. Mittels einer Antriebsvorrichtung wird das Algensubstrat in Rotation um seine Drehachse versetzt. Dabei ist zu beachten, daß die Antriebsvor¬ richtung als separates Element des rotierenden Solar-Photobiore- aktors ausgebildet sein kann oder aber sozusagen integraler Be¬ standteil des Algensubstrats ist, das hierbei dann derart ausge- bildet ist, daß es den Wind und/oder die Gasströmung und/oder eine Medium- oder Flüssigkeitszufuhr, der es ausgesetzt ist, in Rotationsenergie umsetzt . Mittels der Zuführvorrichtung wird das Algensubstrat mit einem Nährmedium versorgt. Von entscheidender Bedeutung für die Erfindung ist die Tatsache, daß das Algensubstrat rotiert. Dadurch werden die einzelnen Ober¬ flächenbereiche des Algensubstrats abwechselnd dem vorwiegend seitlich einfallenden Sonnenlicht unterschiedlicher Intensität ausgesetzt und konstruktionsbedingt abgeschattet bzw. diffusem Sonnenlicht (Schwachlicht) ausgesetzt. Dies erhöht ganz entschei¬ dend die Effizienz der Algenproduktion, da sich die für die Son¬ nenlichtumsetzung verantwortlichen Photosynthesesysteme der Algen in den Abschattungszeitintervallen bzw. in den Intervallen, in denen sie diffusem Sonnenlicht ausgesetzt sind, wieder regenerie¬ ren können, um dann wieder für die SonnenlichtUmsetzung zur Ver¬ fügung zu stehen. Die Algen verbleiben während der gesamten Dauer ihres Wachstums an dem Substrat. Ein stetiges Wiederbenetzen des Substrats mit Algen, die in Suspension in einem Umwälz- oder Zir- kulationssystem gehalten sind, ist also bis zur Abernte nicht vorgesehen. Erst beim Abernten werden die Algen z. B. durch eine steuerbare Desorption von dem Substrat abgelöst. So kann z. B. Desorptionsflüssigkeit (über die Nährmedium-Zuführvorrichtung) auf das Algensubstrat aufgebracht werden; zu diesem Zeitpunkt gelangt dann kein Nährmedium über die Zuführvorrichtung auf das Substrat. Alternativ kann für die Aufbringung des Desorp- tionsmediums auf das Algensubstrat auch eine separate Aufbrin- gungs- bzw. Zuführvorrichtung vorgesehen sein.
Vorteilhafterweise ist das Algensubstrat aufgefächert ausgebil¬ det, weist also eine extrem große Oberfläche auf und ist insbe¬ sondere nach Art eines Schaufelrades mit Zickzack-förmigem Bahn¬ materialverlauf ausgebildet. Die einzelnen Lamellen des Algensub¬ strat-Bahnmaterials sorgen dabei gegeneinander für die erforder- liehe Abschattung bzw. sind vollflächig zeitweise dem Sonnenlicht unterschiedlicher Intensität ausgesetzt. Diese intermittierende Belichtung durch vorwiegend seitlich einfallendes Sonnenlicht ist dabei durch die Anordnung bzw. Bauart und Umdrehung des Algensub¬ strats bestimmt. An dieser Stelle sei angemerkt, daß der rotierende Solar-Photo- bioreaktor gänzlich der Sonne ausgesetzt ist, was insbesondere für das Algensubstrat gilt. Alternativ ist es möglich, das rotie¬ rende Algensubstrat in ein lichtdurchlässiges bzw. teilweise of- fenes Gehäuse einzubringen, so daß stets pro Umdrehung des Algen¬ substrats dieses sequentiell gänzlich mit Sonnenlicht belichtet und abgeschattet wird.
Mit der Erfindung ist es also möglich, möglichst dünnschichtige Algensubstrate von 0,1 bis 5 mm einzusetzen, auf denen die Algen für die Dauer ihres Wachstums und damit für die Dauer der Produk¬ tion von Algenbiomasse, also bis zum Abernten verbleiben. Die Photoinhibition der Algen auf dem dünnen Algensubstrat wird kon¬ struktionsbedingt verhindert, da das Algensubstrat derart ausge- bildet ist, daß es intermittierend durch Selbstabschattung be¬ reichsweise Sonnenlicht unterschiedlicher Intensität ausgesetzt ist. Eine zirkulierende oder stetig umgewälzte Algensuspension ist also nach der Erfindung nicht vorgesehen. Die Auswahl an bei dem erfindungsgemäßen Photobioreaktor einsetzbaren Algen ist also insofern erweitert, als auch gegen mechanische Belastungen emp¬ findliche Algen eingesetzt werden können.
Der erfindungsgemäße Photobioreaktor optimiert die Nutzung von kohlendioxidhaltigen Gasen, insbesondere von Abgasen, zur Steige- rung der Produktion von Algenbiomasse unter Ausnutzung des Son¬ nenlichts. Dies geschieht nicht primär zur Erzeugung hochwerti¬ ger, reiner Produkte, sondern insbesondere deshalb, um die gewon¬ nene Biomasse als Energieträger zu nutzen, indem sie verbrannt oder zur Produktion von Biodiesel oder Biogas eingesetzt wird. Die Verbrennung dieser Produkte zu nutzbarer Energie liefert Ab¬ gase, die in einem Kreislaufprozeß zur Produktion von Algenbio¬ masse wiederverwertet werden können.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgese- hen, daß das Algensubstrat eine in Form eines Hohlkegels ausge- bildete Tragkonstruktion aufweist. Unabhängig von der Ausgestal¬ tung der Tragkonstruktion sollte diese gasdurchlässig sein, so daß das von der Tragkonstruktion gehaltene Algensubstrat, bei dem es sich insbesondere um dünnes Bahnmaterial (Vliestuch o.dgl., z. B. der Stärke 0,1 bis 5 mm) handelt, stets vom Gas durchströmbar ist .
Insbesondere weist die Tragkonstruktion einen Käfig auf, der zwei stirnseitige Wände hat, die über außenliegende und innenliegende Stäbe miteinander verbunden sind. Zwischen diesen Außen- und In- nenhaltestäben verläuft dann das Bahnmaterial in insbesondere Zickzack-Form und wird auf diese Art und Weise vom Käfig gehal¬ ten. Diese Konstruktion, bei der der Käfig insbesondere zylin¬ drisch ausgebildet ist, ermöglicht die Unterbringung von Algen- Substrat-Bahnmaterial bei gleichzeitiger Schaffung einer extrem großen Oberfläche und minimalem Platzbedarf.
Ferner ist es zweckmäßig, wenn die Nährmittel-Zuführvorrichtung als am Gestell feststehende Einheit ausgebildet ist, an der vor- bei sich das Algensubstrat bewegt. Auf diese Weise wird pro Um¬ drehung die gesamte Oberfläche des Algensubstrats einmal mit Nährmedium benetzt. Insbesondere handelt es sich bei der Nährmit¬ tel-Zuführvorrichtung um eine Sprühvorrichtung zum Aufsprühen von Nährmedium auf das Algensubstrat.
Vorzugsweise ist das Algensubstrat an seiner Drehachse kardanisch am Gestell aufgehängt, so daß es bei Rotation frei pendeln kann, was je nach herrschendem Wind (das Algensubstrat ist insbesondere dem Sonnenlicht und damit der Umgebung frei und allseitig ausge- setzt) von Vorteil ist.
Der Algensubstrat-Reaktor kann frei angeordnet sein, ohne daß er also von einem Gehäuse oder dergleichen umgeben ist. Wird ein solches Gehäuse verwendet, sollte dieses mindestens einen für Sonnenlicht transparenten Abschnitt (Öffnung oder transparentes Wandelement, beide insbesondere mit optischen Elementen zum Ein¬ fangen von Licht, wie z. B. Linsen, Prismen oder dergleichen, versehen) aufweisen, an dem sich das Algensubstrat vorbeibewegt. Auch hierdurch sind die einzelnen Bereiche des Algensubstrats Licht unterschiedlicher Intensität ausgesetzt.
In dem obigen Fall, in dem das Algensubstrat von einem Gehäuse umgeben ist, welches bereichsweise mit mindestens einer Öffnung oder einem transparenten Wandabschnitt (beide insbesondere mit optischen Elementen wie z. B. Linsen, Prismen oder dergleichen versehen) versehen ist, ist es ebenso möglich, daß das Gehäuse (langsam) rotiert, um dem tageszeitlichen Sonnenstand nachgeführt zu werden.
Die Drehachse, um die das Algensubstrat rotiert, kann horizontal, vertikal oder im Raum geneigt verlaufen. Insbesondere sind die Ebenen, in denen sich das Algensubstrat erstreckt, parallel zur Drehachse angeordnet. Das Algensubstrat ist insbesondere nach Art eines Schaufel- oder Flügelrades ausgebildet, dessen im wesentli- chen radial verlaufende Schaufeln bzw. Flügel durch das Algensub¬ strat gebildet sind bzw. mit Algensubstrat bespannt sind.
Die Photosynthese der Algen ermöglicht die Bindung von Kohlendi¬ oxid aus Abgasen der verschiedensten Verbrennungsprozesse. Die klimatisch bedenkliche Nutzung fossiler Brennstoffe kann inner¬ halb derselben bestehenden Technologie durch regenerative Energie aus Biomasse nach und nach ersetzt werden, indem sich der Anteil der Algenbiomasse in den Brennstoffen sukzessive erhöht. Der flä¬ chenbezogene Biomasseertrag ist bei Algen um ein Vielfaches grö- ßer als bei Höheren Pflanzen und kann durch diese Abgase noch weiter gesteigert werden. Die Restwärme auε dem Abgas wird zu¬ sätzlich genutzt.
Zur Steigerung der Produktivität im Vergleich zu herkömmlichen Photobioreaktoren läßt sich im hier vorgestellten Reaktor Kohlen- dioxid aus z.B. Abgas optimal den Algen zuführen, die gleichzei¬ tig genügend photosynthetisch aktive Strahlung (PhAR) aus dem Sonnenlicht erhalten. Gegenseitige dauerhafte Beschattung der einzelnen Algenzellen sowie zu starke Bestrahlung, Austrocknen oder Überhitzung werden weitestgehend vermieden. Die Erntemethode der Biomasse ist vorzugsweise im System integriert . Der Ertrag pro Grundfläche wird durch eine zum Teil vertikale Anordnung der Reaktionsoberflächen zusätzlich erhöht. Direktes und diffuses Sonnenlicht werden genutzt. Das System ist den tageszeitlichen und jahreszeitlichen Sonnenständen sowie der geographischen Brei¬ te oder den speziellen Standortbedingungen einfach anzupassen. Die Konstruktion ist für Freiland und Gewächshäuser geeignet und erfordert vergleichsweise geringen Kapitaleinsatz. Ein "Scale-Up" der Anlage für den Kraftwerksbereich ist möglich. Eine optionale modulare Verknüpfung mehrerer Reaktoren kann die Betriebssicher¬ heit des Dauereinsatzes erhöhen. Der Einsatz umweltverträglicher Verbrauchsmaterialien sowie die kombinierte Nutzung anderer re¬ generativer Energien ist möglich.
Als Substrat für die Algen wird zweckmäßigerweise Bespannungsma¬ terial eingesetzt, das in Abhängigkeit von den zu verwendenden Algen und den gewünschten Produkten ausgewählt wird. Das Bespan¬ nungsmaterial bildet die Reaktoroberfläche, die von den Algen als Substrat genutzt wird. Sie sollte demnach lichtdurchlässig und gasdurchlässig sein und zur Vergrößerung der Substratoberfläche eine gewisse Rauhtiefe besitzen. Um den technischen Aufwand zu reduzieren, der für eine gleichmäßige Befeuchtung der Reaktor¬ oberfläche nötig ist, ist eine gewisse Saugfähigkeit erwünscht. Eine gute Flüssigkeitsverteilung wird durch Kapillarkräfte in Vliesen oder Geweben erreicht. Die Größe der Kapillarräume und die Oberflächeneigenschaften des Materials müssen den Substratan¬ forderungen der einzusetzenden Algen so angepaßt werden, daß eine Adhäsion erreicht wird, die ein Herausspülen der Algen bei Medi¬ umzugabe verhindert, die aber dennoch eine Ernte von dieser Ober- fläche zuläßt. UV- und Witterungsbeständigkeit sind weitere Rand- bedingungen für einen kostengünstigen dauerhaften Einsatz. Dar¬ über hinaus ist die Energiebilanz der Produktion und die natürli¬ che Abbaubarkeit oder Recyclingfähigkeit der Materialien für die ökologische Bilanz des Reaktors von Interesse. Als Rohstoffe er- scheinen Polyethylen (PE) , Polypropylen (PP) , Polyester (PES) und Polyacryl geeignet. Eine hohe Saugfähigkeit kann bei geeigneter Anordnung der Substratflächen die zur Flüssigkeitsverteilung nö¬ tigen Pumpvorgänge noch weiter minimieren und somit zu einer po¬ sitiveren Energiebilanz beitragen. Bei der Verarbeitung von Vlie- sen zu Algensubstraten sollte die Hauptkomponente aus energetisch und preislich günstigem PP oder PE bestehen, zu der als saugfähi¬ gere Komponente PES oder Polyacryl zugeführt werden kann. Demge¬ genüber erscheinen zur Zeit die handelsüblichen Naturfaserproduk¬ te zwar von der biologischen Abbaubarkeit her als interessant, weisen jedoch eine relativ ungünstige Energie- und Kostenbilanz auf .
Optimierungen gegenüber dem Stand der Technik infolge des rotie¬ renden Solar-Photobioreaktor-Algensubstrats zur Produktion von Algenbiomasse sind:
1. hohe energetische Produktivität pro Fläche in Form von ver¬ wertbarer Biomasse
2. niedriger quantitativer Energieinput (für Betrieb, Ernte und Material)
3. qualitativer Energieinput (integrierte Nutzung anderer re¬ generativer Energieträger)
4. Integrationsfähigkeit in bestehende Technologien zur Nut¬ zung fossiler Energieträger
5. niedrige Betriebs- und Investitionskosten integrierte Erntemethode, niedriger Personalaufwand, Auto¬ matisierbarkeit
Betriebssicherheit, regionale Anpassungsfähigkeit, einfa¬ ches Scale-Up.
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Optional: Schließung der Grünlücke durch geeignete Algenauswahl In Bezug auf Wirtschaftlichkeit, Ökologie, Betriebssicherheit und Anpassungsfähigkeit lassen sich für den erfindungsgemäßen Solar- Photobioreaktor folgende Eigenschaften festhalten:
- geringer Energiebedarf (quantitativer Energieinput) integrierte Nutzungsmöglichkeit regenerativer Energieträger (Wind, Wasser, Sonne, qualitativer Energieinput) geringe Flächenintensität durch Erhöhung des flächenbezogenen Wirkungsgrades der Photosynthese - integrierte Erntemöglichkeit durch Trocknen auf der Reak¬ toroberfläche, Desorption im Tauchbad
Betriebssicherheit, regionale Anpassungsfähigkeit, einfa¬ ches Scale-Up durch modularen Aufbau niedrige Investitionskosten durch geeignete Materialwahl - ökologische Unbedenklichkeit durch hohen Anteil regenerati¬ ver oder recyclingfähiger Materialien möglich
Nachfolgend werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der
Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze des Aufbaus eines Solar-Photobio- reaktors mit hohlkegelförmig angeordnetem Algensubstrat gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fign. 2 und 3
Längs- und Querschnittsansichten eines Solar-Photobio- reaktors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Zickzack-förmig bzw. sternförmig verlau¬ fendem Algensubstrat, das von einem Käfig gehalten ist, und
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Solar-Photobioreaktor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, bei dem die Tragkon¬ struktion für das Algensubstrat mehrere Kassettenhalter für Kassetteneinschübe aufweist, auf die ein Algensub- strat in Form eines Endlosbandes aufgespannt ist, wel¬ ches durch Kassetteneinschübe halbzylindrisch geformt wird, so daß es zur Ausnutzung von Windenergie oder von anderen Strömungen zur Erzeugung der Rotation der Trag- konstruktion beitragen kann.
Der Reaktor 10 gemäß Fig. 1 hat die Form eines rotierenden Kegels 11. In einfachster Ausführung ist der Kegelmantel mit einem Mate¬ rial 12 bespannt, welches die belichtete Reaktionsoberfläche bil- det und beidseitig mit Nährmedium befeuchtet wird (bei 13 ange¬ deutet) . Das Material 12 ist gasdurchlässig und hell bis trans¬ parent und stellt das Algensubstrat dar, auf dem die mit Nährme¬ dium und C02-haltigem Gas versorgten Algen wachsen. In das hohle Kegelinnere wird das warme Abgas 14 eingeleitet, welches im Kegel aufsteigt, zum einen Teil durch das Substrat 12 an den Algen vor¬ beiströmt und zum anderen durch eine Öffnung 15 an der Oberseite den Kegel 11 verläßt. Der Kegel 11 ist in Verlängerung seiner Achse 16 an einem (lediglich angedeuteten) Gerüst 17 drehbar ge¬ lagert. Durch die Rotation wird eine optimale Verteilung von Licht, Kohlendioxid, Nährmedium und Algen erreicht. Überschüs¬ siges Nährmedium und suspendierte Algen tropfen vom Substrat 12 in einen flachen Trichter 18, von wo aus sie zusammen mit dem Nährmedium in einen Sumpf 19 gelangen. Der Sumpf 19 weist einen Ablauf 20 auf, über den die suspendierten Algen abgeführt werden. Ferner mündet in den Sumpf 19 eine Zirkulationsleitung 21 für Nährmedium, über die das überschüssige Nährmedium zusammen mit Nährmedium aus einem an die Zirkulationsleitung 21 angeschlosse¬ nen Vorratsbehalter 22 dem oberen Ende des Kegels 11 zugeführt werden, um auf diese aufgebracht zu werden. Eine Pumpe 24 saugt das überschüssige Nährmedium und Nährmedium aus dem Vorratsbe¬ hältnis 22 an. Dem Nährmedium kann C02 aus z. B. Abgasen zuge¬ setzt sein. In der Zirkulationsleitung 21 befindet sich nahe dem Sumpf 19 ein Algenfilter 23, um Algen von dem Nährmedium-Zirkula¬ tionssystem fernzuhalten. Alternativ kann vorgesehen sein, die Medienzufuhr dem Wasser- und Nährstoffverbrauch so anzupassen, daß es nahezu vollständig an der Reaktionsfläche adsorbiert. Ein Auffangtrichter sowie ein zirkulierender Nährmedium-Strom sind dann nicht erforderlich.
Die Formgebung des Reaktors kann durch den Abstand und den Umfang zweier an den Enden des Hohlkegels angeordneter Ringe sowie Quer¬ verstrebungen der das Folienmaterial haltenden Tragkonstruktion 25 bestimmt werden, die das Gerüst für die Reaktionsoberflächen bilden, welche aus dem oben erwähnten Material bestehen und wel¬ che an diesen Ringen befestigt sind. Damit ist die Ausrichtung der Reaktionsoberfläche zum Einstrahlungswinkel der Sonne bzw. des diffusen Lichts zu optimieren.
Die Biomasse wird je nach eingesetzter Algenart verschieden ge¬ erntet :
1. Durch elektrische oder chemische Desorption der Algen,
2. durch Abstreifen der Algen von den (feuchten) Oberflächen, oder
3. durch Abstreifen der Algen, Herauslösen zu verwertender Bestandteile oder durch Erneuerung der Oberfläche, nachdem der Reaktor eine Zeitlang ohne weitere Zufuhr von Nahrmedi- um trocken rotiert ist.
Bei der chemischen Desorption wird das Nahrmedium-Zirkulations- system ausgenutzt, um dem Algensubstrat reine Desorptionsflussig- keit zuzuführen. Zu diesem Zweck wird die Zirkulationsleitung 21 über ein Ventil 26 abgesperrt, das zwischen der von dem Nahrmedi- um-Vorratsbehälter 22 kommenden Leitung 27 und der Pumpe 24 ge¬ schaltet ist. Zwischen der Pumpe 24 und dem Ventil 26 mundet in die Zirkulationsleitung 21 eine Leitung 27' ein, die durch ein Ventil 28 absperrbar ist Über diese Leitung 27' ist bei geoff- netem Ventil 28 die Zirkulationsleitung 21 mit einem Vorratsbe¬ hältnis 29 für Desorptionsflüssigkeit verbunden. Bei geöffnetem Ventil 28 und geschlossenem Ventil 26 saugt die Pumpe 24 aus dem Vorratsbehältnis 29 Desorptionsflüssigkeit an. Diese Desorptions- flüssigkeit wird auf das Algensubstrat aufgebracht, wobei die Algen von dem Substrat 12 abgelöst und zusammen mit der Desorp¬ tionsflüssigkeit in den Sumpf 19 gelangen und von dort über den Ablauf 20 abgeführt und damit geerntet werden können.
Die Antriebsenergie zur Rotation des Reaktors und für den Pump¬ vorgang kann aus dem im Kegel 11 aufsteigenden warmen Abgas ge¬ wonnen werden, aus Wind- und Sonnenenergie oder möglichen Kombi¬ nationen. Aufgrund der Gefahr schnelleren Austrocknens bei Wind und wegen der Gefahr von Photoinhibition bei zu starker Sonnen- Strahlung können die Zufuhr des Mediums und die Rotation des Re¬ aktors variiert werden.
Die Struktur des Kegelmantels kann in einer abgeleiteten Form zur Oberflächenvergrößerung und zur Erhöhung der Gasdurchlässigkeit so verändert werden, daß sie aus vielen zentripetal angeordneten dünnen Lamellen oder Kassetten besteht, die jeweils von dem obe¬ ren Befestigungsring zum unteren führen. Wenn ihre Ausrichtung zur Kegelachse so verdreht ist, daß sie den Rotorblättern eines Savonius-Rotors ähneln, ist ein solcher Reaktor im Freiland in der Lage, seine Rotationsenergie aus dem Wind aufzunehmen. Die hängende kardanische Konstruktion erlaubt es, bei zu starkem Wind die Reaktoroberseite in Windrichtung auszurichten, wodurch die Angriffsfläche des Windes und der Strömungswiderstand des Reak¬ tors minimiert werden.
In den Fign. 2 und 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Reaktors 30 dargestellt. Der Reaktor 30 weist ein Gestell 32 auf, das einige wenige gleichmäßig verteilt angeordnete Vertikalstre¬ ben 34 sowie diese untereinander verbindende Horizontalstreben 36 aufweist und in dem ein im wesentlichen zylindrischer Rotations- körper 38 pendelnd aufgehängt und drehbar angeordnet ist. Der Rotationskörper 38 weist an seinen stirnseitigen Enden gasdurch¬ lässige Elemente 40 auf, zwischen denen außenliegende Haltestäbe 42 und innenliegende Haltestäbe 44 angeordnet sind. Sowohl die Außenhaltestäbe 42 als auch die Innenhaltestäbe 44 sind jeweils entlang von Kreislinien gleichmäßig verteilt angeordnet. Zwischen den Haltestäben 42 und 44 verläuft ein Algensubstrat 46 in Form eines dünnen bahnförmigen Vliesmaterials 48, das Zickzack-förmig nach Art eines Rundfilters abwechselnd um die Außen- und Innen- haltestäbe 42,44 verlaufend, d.h. sternförmig bzw. im wesentli¬ chen ähnlich einer Sternform angeordnet ist. Gas 50 wird von un¬ ten in das Gestell 32 eingeleitet, so daß es beim Aufsteigen durch das Gestell 32 an den in Gasströmungsrichtung verlaufenden vertikalen einzelnen Substratoberflächen 52 entlangströmt.
An den Horizontalstreben 36 des Gestells 32 ist eine Antriebsvor¬ richtung 54 zum drehenden Antrieb des Rotationskörpers 38 ange¬ ordnet. Im in den Fign. 2 und 3 dargestellten Fall weist die An¬ triebsvorrichtung 54 ein Windrad 56 auf. Die Drehachse 58 der Antriebsvorrichtung 54 weist ein Kardangelenk 60 auf, das mit der Drehachse 62 des Rotationskörpers 38 verbunden ist. Auf diese Weise rotiert der Rotationskörper 38 auch dann, wenn er durch Seitenkräfte (beispielsweise Windkräfte) in Pendelbewegungen ver¬ setzt wird.
Eine der Vertikalstreben 34 ist mit einer Nährmittel-Zuführvor¬ richtung 64 versehen, die einzelne Düsen 66 aufweist, über die ein Nährmedium, das aus einem Reservoir 68 gepumpt wird, gegen das sich an der Nährmittel-Zuführvorrichtung 64 vorbeibewegenden Substrat gesprüht wird. Der Reaktor 30 gemäß den Fign. 2 und 3 kann, wie im Falle von Fig. 1, ergänzt werden, um das Nährmedium im Kreislauf zuzuführen. Vorteilhafter ist es allerdings, die Zuführvorrichtung so auszulegen, daß stets eine ausreichende Menge an Nährmedium auf das Substrat aufgesprüht wird, ohne daß überschüssiges Nährmedium abtropft. Wie anhand der Fig. 2 gezeigt, sind stets Teilbereiche des Sub¬ strats 46 der direkten Sonneneinstrahlung 70 ausgesetzt, wenn sich der Rotationskörper 38 in Richtung des Pfeils 72 dreht. Die lamellenartig aufeinanderfolgenden einzelnen Substratoberflächen 52 schatten sich in Teilbereichen der Rotationsbewegung des Sub¬ strats 46 gegenseitig ab bzw. lassen lediglich eine Belichtung mit diffusem Sonnenlicht (Schwachlicht) zu. Diese abwechselnde Direktbelichtung, Abschattung und Diffusbelichtung verhindert das Entstehen von Photoinhibition der in dem Bahnmaterial 64 veran- kerten Algen, so daß diese sich immer wieder regenerieren können, um photosynthetisch optimal zu wirken. Eine auf die Rotorge¬ schwindigkeit abgestimmte partielle Zusatzabschattung kann diesen Effekt optimieren.
Durch bezogen auf die Strömung des Gases 40 schräg ausgerichteten Substratoberflächen 52 wäre es möglich, die Gasströmung zur Rota¬ tion des Rotationskörpers 38 auszunutzen. In dem Fall könnten dann also die Gasströmung und der Wind als Rotationsantrieb aus¬ genutzt werden.
Anhand von Fig. 3 soll kurz der Aufbau eines Reaktors 80 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung verdeutlicht werden. Dieser Reaktor 80 weist eine obere Platte 82 auf, die über eine Drehachse 84 mit einer unteren deckungsgleichen Platte verbunden ist, die in der Draufsicht gemäß Figur 4 nicht zu er¬ kennen ist. Die obere Platte 82 ist durch Versteifungsstreben 86 mechanisch verstärkt. Zwischen benachbarten Streben 86, die im wesentlichen radialförmig verlaufen, befinden sich in der Platte 82 herausziehbare Einschübe 88, die einen halbkreisförmigen Hal- terungsbogen 90 aufweisen. Identische halbkreisförmige Halte- rungsbögen 90 befinden sich auch in der unteren Platte des Reak¬ tors 80; auch diese Halterungen sind an Einschüben der unteren Platte angeordnet. Zwischen den halbkreisförmigen Halterungen beider Platten ist das vliesförmige Algensubstrat 92 angeordnet, das als Endlosband beidseitig beider halbkreisförmiger Halte- rungsbögen 90 um diese herum gespannt gehalten ist. Jeder Ein- schub 88 der oberen Platte 82 weist ferner zwei Ausparungen 94, 96 auf, von denen die Ausparung 94 halbkreisförmig ist und durch den Halterungsbogen 90 sowie die der Innenseite dieses Halte- rungsbogens 90 zugewandte Strebe 86 begrenzt ist. Die zweite Aus¬ parung 96 ist zwischen dem Scheitelpunkt des Halterungsbogens 90 eines Einschubes 88 und der der Außenseite des Halterungbogens 90 zugewandte Strebe 86 angeordnet. Zusätzlich befindet sich an der Platte 86 ein zentrales Zulaufkanalsystem 98 für Nährmedium, das einen Ringverteilerkanal und davon radial abzweigende Radialkanä¬ le aufweist, die zu den Halterungsbogen 90 führen und das Nähr¬ medium zum Substrat 92 leiten.
Die bogenförmig gespannten Algensubstratfolien 96 liegen zwischen den über die Drehachse 84 miteinander verbundenen Platten (von denen die obere Platte 82 in Figur 4 gezeigt ist) frei. Die halb¬ kreisförmig gespannten Algensubstratfolien 82 fungieren dabei wie die Rotorblätter eines Rotors, der durch entsprechend dem Pfeil 100 vorbeiströmenden Wind in Rotation versetzt wird. Der Sonnen- lichteinfall erfolgt teilweise über den seitlich offenen Bereich des Reaktors 80 und von oben durch die Ausparungen 94 und 96 in der Platte 82 des Reaktors 80.

Claims

ANSPRUCHE
1. Rotierender Solar-Photobioreaktor zur Produktion von Algen¬ biomasse aus insbesondere kohlendioxidhaltigen Gasen, mit einem Gestell (17;32) , einem um eine Drehachse (15;62;84) drehbar an dem Ge¬ stell (17,*32) gelagerten Algensubstrat (12;46;92) für Algen, auf dem die Algen während ihres Wachstums ver¬ bleiben, das Sonnenlicht unterschiedlicher Intensität intermittierend aussetzbar ist, einer Antriebsvorrichtung (54) zum drehenden Antreiben des Algensubstrats (12;46;92) und einer Nährmedium-Zuführvorrichtung zum Zuführen eines Nährmediums zu dem Algensubstrat .
2. Rotierender Solar-Photobioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Algensubstrat (12; 46;92) ein dün¬ nes Bahnmaterial ist, das von einer Tragkonstruktion (25; 42, 44;82) gehalten ist.
3. Rotierender Solar-Photobioreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragkonstruktion (25) einen Hohlke¬ gel mit gasdurchlässiger Wandung aufweist, an der das Al¬ gensubstrat (12) gehalten ist.
4. Rotierender Solar-Photobioreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragkonstruktion einen Käfig mit entlang einer Außenumfangslinie angeordneten parallelen Außenhaitestäben (42) und mit entlang einer Innenumfangs- linie angeordneten zu den Außenhaltestäben (42) parallelen Innenhaltestäben (44) aufweist, wobei das Bahnmaterial (48) zwischen den Innen- und Außenhaltestäben (42, 44) und um diese herum verlaufend von dem Käfig gehalten ist.
5. Rotierender Solar-Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrich¬ tung (54) ein Windrad (56) aufweist.
6. Rotierender Solar-Photobioreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Algensubstrat als Wind- bzw. Schau¬ felrad zum drehenden Antreiben durch Wind ausgebildet ist .
7. Rotierender Solar-Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrich¬ tung eine Solar-Antriebsvorrichtung ist.
8. Rotierender Solar-Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Algensubstrat als Schaufelrad zur Rotation infolge von an dem Algensubstrat vorbeiströmendem Gas ausgebildet ist.
9. Rotierender Solar-Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nährmedium-Zuführ¬ vorrichtung (13;64;98) mindestens einen Teil des Algen¬ substrats (12;46; 92) erfaßt, wobei bei Rotation des Algen¬ substrats (12;46,-92) pro Umdrehung die gesamte Oberfläche des Algensubstrats (12;46;92) mit Nährmedium benetzbar ist.
10. Rotierender Solar-Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Algensubstrat (46) an seiner Drehachse (62) kardanisch (60) am Gestell (36) aufgehängt ist .
11. Rotierender Solar-Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Algensubstrat (12,-46; 92) um eine vertikal verlaufende Drehachse (15; 62; 84) drehbar an dem Gestell (17,-32) gelagert ist.
12. Rotierender Solar-Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober¬ fläche des Algensubstrats (12,*46;92) im wesentlichen paral¬ lel zur Drehachse (15,-62;84) verläuft.
13. Rotierender Solar-Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschattungsele- ment mit mindestens einem Fenster zum Hindurchlassen von Sonnenlicht auf das Algensubstrat (12;46; 92) vorgesehen ist .
14. Rotierender Solar-Photobioreaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschattungselement dem tageszeit¬ lich abhängigen Sonnenlichteinfall entsprechend nachführbar ist.
15. Rotierender Solar-Photobioreaktor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Aschattungselement mehrere Fenster aufweist.
16. Rotierender Solar-Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Fenster mindestens ein optisches Element zum Konzentrieren des Son¬ nenlichteinfalls auf das Algensubstrat vorgesehen ist.
PCT/EP1996/004135 1995-09-23 1996-09-21 Rotierender solar-photobioreaktor zur produktion von algenbiomasse aus insbesondere kohlendioxidhaltigen gasen WO1997011154A1 (de)

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