WO2011066903A1 - Photobioreaktor mit kunstlichtausleuchtung - Google Patents

Photobioreaktor mit kunstlichtausleuchtung Download PDF

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WO2011066903A1
WO2011066903A1 PCT/EP2010/006933 EP2010006933W WO2011066903A1 WO 2011066903 A1 WO2011066903 A1 WO 2011066903A1 EP 2010006933 W EP2010006933 W EP 2010006933W WO 2011066903 A1 WO2011066903 A1 WO 2011066903A1
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photobioreactor
tube
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PCT/EP2010/006933
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Roland Lehmann
Karsten Schmidt
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Melchior-Lehmann, Monika
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    • C12M21/02—Photobioreactors
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    • C12M31/00—Means for providing, directing, scattering or concentrating light
    • C12M31/10—Means for providing, directing, scattering or concentrating light by light emitting elements located inside the reactor, e.g. LED or OLED

Definitions

  • the cultivation of microalgae on an industrial scale is with the
  • biomass production in order to process the recovered algae raw material. This is used in the production of biodiesel, feed, aggregate, supplements, medicines, cosmetics, etc.
  • Another important reason is the production of hydrogen, the conversion of carbon dioxide and the purification of gases.
  • the algae Chlorella vulgaris best at a light intensity of ⁇ / ⁇ and a temperature between 25 and 27 ° C.
  • the first point of view is the energetic consideration of one
  • Production plant which - in order to work economically - must expend less energy on production than the biomass produced contains energy.
  • the second flashing angle is that of the amount of biomass generated per plant area in which an additional energy input is accepted in order to produce as much biomass as possible. If this energy input is generated by renewable energy sources, a positive environmental balance is possible despite a drastic increase in productivity.
  • the first generation includes the open systems in which the algal cultures in large basins are exposed to the ambient conditions.
  • the light intensity of daylight in sunny regions of the earth of about 2000 ⁇ 1 / ⁇ 28 has an inhibiting effect on algae growth, i. only a certain layer below the surface experience the optimal light conditions due to the shading.
  • the temperature fluctuations of the day counteract rapid growth.
  • Algae suspension which is currently forty times that of a second generation daylight system.
  • bioreactors of the third generation are justified if the highest possible biomass output is required. Plants that primarily reduce CO 2 emissions, e.g. of coal-fired power plants, they are often constructed as second-generation plants, since the electric power generation required for artificial lighting is more CO 2
  • the prior art includes a variety of reactor designs with artificial lighting using lamps with Lichtleitkonstrutationen, LED's or conventional fluorescent tubes, such as. the plant PBR30G of the manufacturer IGV GmbH.
  • Algensuspension is introduced, i. the algae fluid surrounds the bulb.
  • the reactor construction according to the invention reverses this operating principle, i. the algal suspension is guided through the lighting element.
  • the inventive construction of the reactor allows the
  • Figure 1 shows the basic structure of the reactor (100) in 3D view. It consists of the algal suspension carriers (40), shown here as stacked cylindrical tubes, and at least one side support (10) on each side to stabilize the stack.
  • the tubes achieve the largest packing density within the reactor (100) depending on the tube shape.
  • the width of the tube stack in the X-axis depends on the available plant surface and can be freely designed.
  • the height of the tube stack in the Y-axis is limited by the material strength of the tubes and the available height of the reactor plant.
  • the tube length in the Z axis depends on other physical factors, which will be explained later.
  • Figure 2 shows the structure of the front of the reactor (100).
  • the pipe ends (41) are connected to connecting pieces (42) as in conventional systems or supplied to the algae cycle outside the photobioreactor if required (43).
  • Figure 3a shows a detailed drawing of the tube ends of three tubes (40), as they lie against each other at the points of contact (44). These contact points may optionally be provided with a translucent sealing tape or translucent adhesive (45).
  • Figure 3b shows the resulting cavity (46), which is entlag gastight sealed by this measure at the tubes (40) entlag.
  • Figure 4 shows a detailed drawing of three pipe sections of the tubes (40) and the
  • At least one of the two sealing inserts (50) contains an evacuation valve (51) and both sealing inserts (50) each contain a metal electrode (52) with cable connection (53).
  • the cavity (46) is evacuated via the evacuation valve (51) and filled with a noble gas or noble gas mixture.
  • the tubes (40) receive an assembly before assembly
  • Fluorescent lamps usual illuminant coating and the cavity (46) a filling with a mercury-containing luminous gas mixture.
  • the light spectrum of the resulting cold cathode tube is mainly dependent on the used
  • Figure 5a shows a detailed drawing of three pipe sections of the pipes (40) and the cavity (46) over the length of the pipes with at least two
  • Holder inserts (60) is provided. These do not have to be gas-tight. They have a plurality of holes (61), wherein expediently the middle hole serves as a passage for the glass tube (70).
  • Figure 5b shows a detailed drawing of the glass tube (70), which in turn is used with an evacuation valve (71) and a respective metal electrode (72) and cable connection (73) at the ends for use as a cold cathode tube. Again, if necessary, an optional
  • Illuminant coating inside the glass tube (70) make.
  • the remaining holes (61) serve for air circulation for the purpose of optional air conditioning of the plant.
  • Figure 6 shows the basic structure of an embodiment of the reactor (100), in which the algal suspension carriers (40) are completely closed gas-tightly with two side walls (10), bottom and cover plates (20) and front and rear plates (30). Only the inlets and outlets (48) of the tubes (40) break through - gas-tight finished - Front and back plates (30), which are also provided with numerous metal electrodes (31).
  • the evacuation valve (32) By means of the evacuation valve (32), the entire interior of the reactor (100) is evacuated, filled with luminous gas and operated as a caliper tube.
  • FIG 7 shows the block diagram of the ballast (200), with which the resulting cold cathode tubes are operated. This consists of a non-immune high frequency generator (201) and a high voltage transformer (202).
  • the high-frequency generator allows via adjustment members (203), the variation of the frequency, pulse shape and amplitude of the high frequency and a pulse operation of the generator itself.
  • the high voltage transformer provides the dependent on the length of the algal suspension carriers in the Z-axis ignition voltage. To avoid too high ignition voltages, this length should be limited to 3..4 meters.
  • the RF lines (204) spend the high frequency to the metal electrodes (205) on one side of the reactor. The metal electrodes on the other side are grounded.
  • the chosen reactor design achieves the highest possible packing density of the algal suspension carriers, e.g. can be further increased with the choice of a hexagonal tube shape.
  • special designs are sometimes considerably more expensive to manufacture, so that a compromise between economy of space and system costs can be found.
  • Lighting system to a unit holds various potential savings. Due to the omission of conventional lighting systems, the system costs of the lighting system reduce considerably.
  • Figure 6 demonstrates the use of the entire tube system as a light source.
  • the use of the low pressure cold cathode tube principle results in lower operating temperatures than with fluorescent lamps.
  • the temperatures required for optimal growth of microalgae are generally below the operating temperatures of fluorescent lamps, which requires cooling depending on the ambient conditions. This is lower for cold cathode tubes or eliminated altogether.
  • the gas volumes to be excited for illumination can be reduced to the hollows shown in FIG. 4 instead of the variant shown in FIG. Under
  • Algsuspensions which are not at the edge of the stack, reach. Of the six cavities surrounding a tube, e.g. use only three cavities for lighting, the remaining three cavities for temperature control.
  • a reduction in the amount of gas to be excited also means a reduction in the required electrical energy, which is even better met in the embodiment according to FIGS. 5a and 5b.
  • the best possible temperature control is achieved because the optimum temperature before convection on the pipe wall of the
  • Algensuspensions has been adjusted.
  • the algal suspension carrier is always a thermal component of the temperature compensation between the temperature source (lamp) and the temperature sink (cooling).
  • An additional coating of the algal suspension carrier with indium tin oxide or comparable substances on the surfaces where the cavities form according to FIG. 4 or such a coating of the glass tube (70) according to FIG. 5b results in a waveguide which enables optimum operation of the illumination with microwaves ,
  • the introduced microwave radiation is guided without scattering losses along the waveguide or the cold cathode tube, that is, the entire microwave energy can be used to excite the luminescent gas.
  • the light intensity is reduced by dimming the lighting system or replaced by a recurrent brief flashing of the lighting.
  • Glow cathodes are present and thus do not consume.
  • the Lichtlausbeute decreases over time by the adsorption of mercury from the Luminous gas mixture. Instead of replacing the entire bulb only the spent luminous gas mixture is replaced by unused. This also solves a disposal problem of disused bulbs.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt mehrere Ausbauformen eines Photobioreaktors mit Kunstlichtausleuchtung zur Steigerung des Biomasseausstoßes bei der Züchtung von Mikroalgen. Die mediumdurchflossenen Rohrleitungen des Photobioreaktors werden mit der möglichst höchsten Packungsdichte angeordnet.

Description

PHOTOBIOREAKTOR MIT KUNSTLICHTAUSLEUCHTUNG
Einführung
Die Kultivierung von Mikroalgen im industriellen Maßstab wird mit den
unterschiedlichsten Absichten betrieben. Einer der wichtigsten Gründe dafür ist die Biomasseproduktion, um den gewonnenen Algenrohstoff weiterzuverarbeiten. Dieser findet Verwendung bei der Herstellung von Biodiesel, Futtermittel, Baurohstoff, Nahrungsergänzung, Arzneimitteln, Kosmetika usw. Ein weiterer wichtiger Grund ist die Herstellung von Wasserstoff, die Umwandlung von Kohlenstoffdioxid und das Reinigen von Gasen.
Von etwa 30.000 bekannten Algenarten werden zur Zeit etwa 500 kommerziell genutzt. Die größten Produktionsmengen fallen dabei auf Spirulina, Chlorella, Dunaliella, Nostoc, Aphanizomenon.
Die optimalen Entwicklungsbedingungen dieser Algen sind hinreichend erforscht und gewährleisten einen höheren Produktionsausstoß, insofern diese bei der
Anlagenkonstruktion Berücksichtigung finden. Neben Nährstoff- und C02 Zufuhr sind Lichtintensität und -spektrum sowie die Temperatur die beiden entscheidenden Einflussfaktoren für das Wachstum der Mikroalgen.
So gedeiht z.B. die Algenart Chlorella vulgaris am Besten bei einer Lichtintensität von ΙδΟμΓηοΙ/πώβ und einer Temperatur zwischen 25 und 27°C.
Grundsätzlich betrachtet man die industrielle Algenproduktion aus zwei
Blickwinkeln. Der erste Blickwinkel ist die energetische Betrachtung einer
Produktionsanlage, die - um ökonomisch zu arbeiten - weniger Energie für die Produktion aufwenden muss, als die erzeugte Biomasse an Energie enthält.
Der zweite Blinkwinkel ist der der erzeugten Biomassemenge je Anlagenfläche, bei dem ein zusätzlicher Energieeintrag akzeptiert wird, um möglichst viel Biomasse zu erzeugen. Erfolgt dieser Energieeintrag durch regenerative Energieträger, so ist eine positive Umweltbilanz trotz drastischer Produktivitätssteigerung möglich.
Man unterscheidet im Allgemeinen drei Generationen von Photobioreaktoren. Zu der ersten Generation zählen die offenen Systeme, in denen die Algenkulturen in großflächigen Becken offen den Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind.
Die Lichtintensität des Tageslichts in sonnenreichen Regionen der Erde von ca. 2000μιιιο1/πι28 wirkt inhibierend auf das Algenwachstum, d.h. nur eine gewisse Schicht unterhalb der Oberfläche erfahrt aufgrund der Abschattung die optimalen Lichtbedingungen. Die Temperaturschwankungen des Tages wirken einem raschen Wachstum entgegen.
Zur zweiten Generation werden geschlossene Systeme gezählt, die die Algenkulturen in Rohrleitungssystemen, Platten- oder Blasenreaktoren aufbewahren und dem Sonnenlicht aussetzen. Diese Reaktoren werden insbesondere in den nördlichen Breiten der Erde in Gewächshäusern untergebracht, die so eine vereinfachte
Temperierung ermöglichen. Die ungenügende Lichtintensität in diesen Regionen bedingt eine unbefriedigende Produktionsmenge an Biomasse.
l
BESTÄTIGUNGSKOPIE Hinzu kommt der große Flächenbedarf derartiger Anlagen, da die Rektorgefäße sich nicht gegenseitig abschatten dürfen. Als Beispiel beträgt in der RWE- Versuchsanlage in BergheimNiederaussem der Jahresaustoß an Algentrockenmasse 12 Tonnen bei einer Anlagenfläche von 600m2 und einem Algensuspensionsvolumen von 55m3.
Zur dritten Generation werden geschlossene Systeme gezählt, die die Algenkulturen in verschiedensten Reaktorformen aufbewahren und mit Kunstlicht ausleuchten. Diese Systemgeneration erbringt den höchsten Ausstoß an Biomasse pro Volumen
Algensuspension, der zur Zeit bis zum Vierzigfachen dessen einer Tageslichtanlage der zweiten Generation beträgt.
Die Verwendung von Bioreaktoren der dritten Generation ist dann gerechtfertigt, wenn ein möglichst hoher Ausstoß an Biomasse gefordert ist. Anlagen, die primär eine Reduktion des C02-Ausstoßes, z.B. von Kohlekraftwerken zum Ziel haben, findet man häufig als Anlagen der zweiten Generation aufgebaut, da die zur Kunstlichtausleuchtung benötigte Elektroenergieerzeugung mehr C02
produziert, als die Anlage selbst absorbiert. Wird die Elektroenergieerzeugung eines Photobioreaktors mit Kunstlichtausleuchtung durch regenerative Energieträger gewährleistet, z.B. unter Verwendung von
Windkrafträdern, so ergibt sich eine positive C02-Bilanz. Das heißt eine möglichst hohe Produktivität an Algenbiomasse bedingt auch einen hohen C02-Eintrag. Die regenerative Energie wird somit als Energiegehalt in der Biomasse gespeichert und kann, zum Beispiel weiterverarbeitet zu Biodiesel oder Bioethanol, anderen
etablierten Technologien als Energieträger zeitversetzt zur Verfügung gestellt werden. Als positiver Nebeneffekt reduziert sich der C02- Ausstoß z.B. von Kohle- oder
Biogaskraftwerken.
Motivation der Erfindung
Mit dem hier vorgestellten erfindungsgemäßen Photobioreaktor wird ein Höchstmaß an Algenproduktion pro Reaktorvolumen unter Berücksichtigung der Verwendung einfacher und kostengünstiger Komponenten und Konstruktionen erreicht.
Hinzu kommt eine drastische Reduzierung der Investitionskosten für Leuchtmittel sowie des Elektroenergieverbrauchs derselben.
Zum Stand der Technik gehören die unterschiedlichsten Reaktorkonstruktionen mit Kunstlichtausleuchtung unter Verwendung von Lampen mit Lichtleitkonstruktionen, LED's oder herkömmlichen Leuchtstoffröhren, wie z.B. die Anlage PBR30G des Herstellers IGV GmbH.
Weiterführende Reaktorkonstruktionen, beschrieben in US5614378, US5104803, DE4416069, US2003073231, haben gemeinsam, dass das Leuchtmittel in die
Algensuspension eingebracht wird, d.h. die Algenflüssigkeit umgibt das Leuchtmittel.
Die erfindungsgemäße Reaktorkonstruktion kehrt dieses Funktionsprinzip wieder um, d.h. die Algensuspension wird quasi durch das Beleuchtungselement hindurch geführt. Die erfindungsgemäße Konstruktion des Reaktors erlaubt jedoch das
Aneinanderreihen der Algensuspensionsträger (Rohre) auf engstem Raum, ohne dass Lichtabschattungen entstehen, da Algensuspensionsträger und Leuchtmittel zu einer Einheit verschmelzen. Beschreibung der Erfindung
Bild 1 zeigt den Prinzipaufbau des Reaktors (100) in 3D- Ansicht. Er besteht aus den Algensuspensionsträgern (40), hier dargestellt als gestapelte zylindrische Rohre, und mindestens einem Seitenträger (10) je Seite zur Stabilisierung des Stapels. Die Rohre erreichen durch das Stapeln die von der Rohrform abhängige größte Packungsdichte innerhalb des Reaktors (100). Die Breite des Rohrstapels in der X-Achse ist abhängig von der zur Verfügung stehenden Anlagenfläche und frei gestaltbar. Die Höhe des Rohrstapels in der Y-Achse wird von der Materialfestigkeit der Rohre sowie der verfügbaren Bauhöhe der Reaktoranlage begrenzt. Die Rohrlänge in der Z-Achse ist von anderen physikalischen Faktoren abhängig, die zu einem späteren Zeitpunkt erläutert werden.
Aufgrund dieser Konstruktion erübrigen sich Rohrträger, die - wie bei heutigen Anlagen üblich - jedes einzelne Rohr aufnehmen und mechanischen Halt bieten.
Bild 2 zeigt den Aufbau der Frontseite des Reaktors (100). Die Rohrenden (41) werden wie bei herkömmlichen Anlagen mit Verbindungstücken (42) verbunden oder bei Bedarf dem Algenkreislauf außerhalb des Photobioreaktors zugeführt (43).
Bild 3a zeigt eine Detailzeichnung der Rohrenden dreier Rohre (40), wie sie an den Berührungspunkten (44) aneinander liegen. Diese Berührungspunkte können optional mit einem lichtdurchlässigen Dichtungsband oder einer lichtdurchlässigen Verklebung (45) versehen werden. Bild 3b zeigt den entstandenen Hohlraum (46), der durch diese Maßnahme an den Rohren (40) entlag gasdicht verschlossen wird. Bild 4 zeigt eine Detailzeichnung dreier Rohrabschnitte der Rohre (40) und den
Hohlraum (46), der mit je einer Dichtungseinlage (50) an den beiden Rohrenden den Hohlraum (46) gasdicht verschließt. Mindestens eine der beiden Dichtungseinlagen (50) enthält ein Evakuierungsventil (51) und beide Dichtungseinlagen (50) enthalten je eine Metallelektrode (52) mit Kabelanschluss (53). Der Hohlraum (46) wird über das Evakuierungsventil (51) evakuiert und mit einem Edelgas bzw. Edelgasgemisch gefüllt. Alternativ erhalten die Rohre (40) vor der Montage eine bei
Leuchtstofflampen übliche Leuchtmittelbeschichtung und der Hohlraum (46) eine Füllung mit einem quecksilberhaltigen Leuchtgasgemisch. Das Lichtspektrum der so entstandenen Kaltkathodenröhre ist hauptsächlich abhängig vom verwendeten
Gasgemisch, dem Gasdruck und der optionalen Leuchtmittelbeschichtung bei
Verwendung von quecksilberhaltigen Leuchtgasgemischen.
Bild 5a zeigt eine Detailzeichnung dreier Rohrabschnitte der Rohre (40) und den Hohlraum (46), der über die Länge der Rohre mit mindestens zwei
Halterungseinlagen (60) versehen ist. Diese müssen nicht gasdicht abgeschlossen sein. Sie weisen mehrere Löcher (61) auf, wobei zweckmäßigerweise das mittlere Loch als Durchführung für das Glasrohr (70) dient. Bild 5b zeigt eine Detailzeichnung des Glasrohrs (70), welches wiederum mit einem Evakuierungsventil (71) und je einer Metallelektrode (72) und Kabelanschluss (73) an den Enden zur Verwendung als Kaltkathodenröhre genutzt wird. Auch hier ist bei Bedarf eine optionale
Leuchtmittelbeschichtung im Inneren des Glasrohrs (70) vorzunehmen. Die verbleibenden Löcher (61) dienen der Luftzirkulation zum Zwecke einer optionalen Klimatisierung der Anlage.
Bild 6 zeigt den Prinzipaufbau einer Ausfuhrungsform des Reaktors (100), bei dem die Algensuspensionsträger (40) komplett mit zwei Seitenwänden (10), Boden- und Deckplatten (20) und Front- und Rückplatten (30) gasdicht verschlossen werden. Nur die Zu- bzw. Abläufe (48) der Rohre (40) durchbrechen - gasdicht abgeschlossen - Front- und Rückplatten (30), die zudem mit zahlreichen Metallelektroden (31) versehen sind. Mittels des Evakuierungsventils (32) wird der gesamte Innenraum des Reaktors (100) evakuiert, mit Leuchtgas gefüllt und als Kal±athodenröhre betrieben.
Bild 7 zeigt das Blockschaltbild des Vorschaltgerätes (200), mit dem die entstandenen Kaltkathodenröhren betrieben werden. Dieses besteht aus einem überlasrungssicheren Hochfrequenzgenerator (201) und einem Hochspannungstransformator (202).
Der Hochfrequenzgenerator erlaubt über Einstellglieder (203) die Variation der Frequenz , Impulsform und Amplitude der Hochfrequenz sowie einen Impulsbetrieb des Generators selbst. Der Hochspannungstransformator stellt die von der Länge der Algensuspensionsträgern in Richtung der Z- Achse abhängige Zündspannung zur Verfügung. Zur Vermeidung zu hoher Zündspannungen sollte diese Länge auf 3..4 Metern begrenzt werden. Die HF-Leitungen (204) verbringen die Hochfrequenz zu den Metallelektroden (205) an einer Seite des Reaktors. Die Metallelektroden der anderen Seite sind geerdet.
Zusammenfassung der Vorteile
Durch die gewählte Bauform des Reaktors (siehe Bildl) wird die höchst mögliche Packungsdichte der Algensuspensionsträger erreicht, die z.B. mit der Wahl einer hexagonalen Rohrform noch weiter gesteigert werden kann. Sonderbauformen sind in der Herstellung jedoch zum Teil erheblich teurer, so dass ein Kompromiss zwischen Platzökonomie und Anlagenkosten gefunden werden kann.
Herkörrunliche Photobioreaktoren sind inzwischen so konstruiert, dass die durch den Algensuspensionsträger fließende Algensuspension nicht an der inneren Trägerwand haften bleibt, also ein Selbstreinigungseffekt der Gefäßinnenseite auftritt. Bewegte Teile innerhalb des Reaktors zur Reinigung von Oberflächen, wie beschrieben in US2003073231, entfallen bei dem erfindungsgemäßen Reaktoraufbau.
Die Verschmelzung von Algensuspensionsträger (Rohrsystem) und
Beleuchtungssystem zu einer Einheit birgt diverse Einsparpotentiale. Aufgrund des Verzichts auf herkömmliche Beleuchtungssysteme reduzieren sich die Anlagenkosten der Beleuchtungsanlage erheblich. Bild 6 demonstriert der Vollständigkeit halber die Verwendung des gesamten Rohrsystems als Leuchtmittel. Die Verwendung des Niederdruck-Kaltkathodenröhrenprinzips bringt geringere Betriebstemperaturen als bei Leuchtstofflampen mit sich. Die für ein optimales Wachstum von Mikroalgen erforderlichen Temperaturen liegen in der Regel unterhalb der Betriebstemperaturen von Leuchtstofflampen, was je nach Umgebungsbedingungen einen Kühlaufwand erforderlich macht. Dieser fällt bei Kaltkathodenröhren geringer aus bzw. entfällt gänzlich.
Die Optimierung des Elektroenergieverbrauches der Beleuchtungsanlage birgt ein weiteres erhebliches Einsparpotential. Während man bei herkömmlichen Leuchtmitteln auf die gegebenen technischen Betriebsparameter angewiesen ist, bestehen bei dem erfindungsgemäßen Aufbau eine Vielzahl von Optimierungsmöglichkeiten.
So lassen sich die zur Ausleuchtung anzuregenden Gasvolumina an Stelle der in Bild 6 gezeigten Variante auf die in Bild 4 dargestellten Holräume reduzieren. Unter
Verwendung aller dreieckigen Hohlräume, die sich aus dem Aufstapeln der Rohre ergeben, lässt sich eine Ausleuchtung dieser um 360° des Rohrumfangs für alle
Algensuspensionsträger, die nicht am Rand des Stapels liegen, erreichen. Von den sechs Hohlräumen, die ein Rohr umgeben, lassen sich z.B. nur drei Hohlräume zur Beleuchtung nutzen, die verbleibenden drei Hohlräume zur Temperierung.
Eine Reduzierung der anzuregenden Gasmenge bedeutet auch eine Reduzierung der notwendigen Elektroenergie, der in der Ausfuhrungsform nach Bild 5a und Bild 5b noch besser entsprochen wird. In dieser wird auch die best mögliche Temperierung erreicht, da die optimale Temperatur vor der Konvektion auf die Rohrwand des
Algensuspensionsträgers eingestellt werden kann. In allen anderen Varianten ist der Algensuspensionsträger immer thermischer Bestandteil des Temperaturausgleichs zwischen Temperaturquelle (Lampe) und Temperatursenke (Kühlung).
Herkömmliche Kaltkathodenröhren werden mit Frequenzen um 40kHz angeregt, um zusätzliche Entstöraufwendungen zu vermeiden, die nach der Verordnung über die elektromagnetische Verträglichkeit ab 150kHz notwendig wären. Die Energieeffizienz von Kaltkathodenröhren ist bei höheren Frequenzen jedoch noch besser, da den ionisierten Atomen im Leuchtgas weniger Zeit bleibt, um mit den freien Elektronen zu rekombinieren. Die Leitfähigkeit des Plasmas nimmt daher in den Pausen während des Nulldurchgangs der Spannung weniger stark ab als bei niedrigeren Frequenzen. Das bedeutet mehr Lichtleistung bei weniger Energieaufwand.
Durch eine zusätzlich Beschichtung der Algensuspensionsträger mit Indiumzinnoxid oder vergleichbaren Substanzen an den Flächen, an denen sich die Hohlräume nach Bild 4 bilden bzw. eine derartige Beschichtung des Glasrohres (70) nach Bild 5b entsteht ein Hohlleiter, der einen optimalen Betrieb der Beleuchtung mit Mikrowellen ermöglicht. Die eingebrachte Mikrowellenstrahlung wird ohne Streuverluste entlang des Hohlleiters respektive der Kaltkathodenröhre geführt, dass heißt die gesamte Mikrowellenenergie kann zur Erregung des Leuchtgases herangezogen werden.
Unabhängig vom Betrieb der Beleuchtung mit Mikrowellen oder Hochfrequenz ist bekannt, dass die erwähnten Mikroalgen nur eine Lichtintensität von 50 bis
300μπιο1/ιη28 für ein optimales Wachstum benötigen. Die Lichtintensität wird durch Dimmen der Beleuchtungsanlage reduziert oder durch ein wiederkehrendes kurzes Aufblitzen der Beleuchtung ersetzt.
Dies reduziert den Elektroenergiebedarf nochmals.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Konstruktion ergibt sich bei den
Wartungskosten der Beleuchtungsanlage. Herkömmliche Leuchtstofflampen haben eine Lebensdauer von durchschnittlich 25.000 Stunden. Bei Dauerbetrieb müsste die Beleuchtung durch Leuchtstofflampen alle 3 Jahre gewechselt werden. Durch den Betrieb nach dem Kaltkathodenprinzip erhöht sich die Lebensdauer von mit
Leuchtstoff beschichteten Systemen mindestens um das Doppelte, da keine
Glühkatoden vorhanden sind und diese sich somit nicht verbrauchen.
Die Lichtlausbeute sinkt mit der Zeit durch die Adsorption des Quecksilbers aus dem Leuchtgasgemisch. Anstelle des Austausches der gesamten Leuchtmittel wird nur das verbrauchte Leuchtgasgemisch durch unverbrauchtes ersetzt. Dies löst auch ein Entsorgungsproblem ausgedienter Leuchtmittel.
Für Leuchtröhren nach dem Kaltkathodenprinzip und ohne Leuchtstoffbeschichtung sind je nach verwendetem Leuchtgas Lebensdauern von 15-20 Jahren üblich.

Claims

Ansprüche
1. Photobioreaktor, dadurch gekennzeichnet, dass
die mediumdurchflossenen Rohrleitungen durch längsgerichtetes Anordnen eine von der Rohrform abhängige möglichst hohe Packungsdichte erreichen,
2. Photobioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Berührungspunkte zweier Rohrleitungen einen gasdichten Abschluss bilden bzw. diese Berührungspunkte gasdicht abgedichtet werden,
3. Photobioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Umfang des gesamten Rohrstapels und die Seiten des gesamten Rohrstapels in sich gasdicht abgedichtet werden,
4. Photobioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die zwischen den Rohren entstandenen Zwischenräume evakuiert und mit dem gewünschten Gas bzw. Gasgemisch befüllt werden,
5. Photobioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die äußere Oberfläche der Rohre ggf. mit einem Leuchtstoff beschichtet ist,
6. Photobioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
an den Seiten in Höhe der entstandenen Zwischenräume Elektroden angebracht sind,
7. Photobioreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
an den Elektroden eine HF-Spannung angelegt wird, die zum Auslösen des Gasentladungseffektes führt,
8. Photobioreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
die HF-Spannung in Spannung, Frequenz und Impulsform variabel bleibt und auf maximalen Wirkungsgrad chteintrag Energieverbrauch abgestimmt wird.
9. Photobioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
in mehrere der zwischen den Berührungspunkten der Rohrleitungen entstehenden Zwischenräume ein weiteres Rohr eingebracht wird,
10. Photobioreaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
dieses Rohr ggf. mit einem Leuchtstoff beschichtet ist,
11. Photobioreaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
diese Rohre evakuiert und mit dem gewünschten Gas bzw. Gasgemisch befüllt werden,
12. Photobioreaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass
an den Enden dieser Rohre Elektroden angebracht sind,
13. Photobioreaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass
an den Elektroden eine HF-Spannung angelegt wird, die zum Auslösen des Gasentladungseffektes führt,
14. Photobipreaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass
die HF-Spannung in Spannung, Frequenz und Impulsform variabel bleibt und auf maximalen Wirkungsgrad Lichteintrag/Energieverbrauch abgestimmt wird.
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