Hohler Lichtleiter mit Öffnungen, insbesondere zur Versorgung eines Photobioreaktors mit Licht und Nährstoffen
GEBIET DER ERFINDUNG
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.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
Generell sind für Photobioreaktoren sowohl offene als auch geschlossene Systeme bekannt. Jeder dieser Typen von Photobioreaktoren weist bestimmte Vorteile und Nachteile auf.
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.
Mögliche Vorteile solcher offenen Photobioreaktorsysteme sind ein verhältnismäßig geringer technischer Aufwand sowie ein geringer Stromverbrauch.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Allerdings sind ein technischer Aufwand und entsprechende Anlagen- Investitionskosten beim Aufbau komplexer geschlossener Photobioreaktoren im Vergleich zu offenen Systemen in der Regel sehr hoch.
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.
Beispielsweise wurde in der EP 2 520 642 A1 ein Photobioreaktor mit rotatorisch oszillierenden Lichtquellen beschrieben.
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.
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.
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.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Lichtleiteranordnung vorgeschlagen, die eine Mehrzahl von Lichtleitern gemäß dem obigen ersten Aspekt aufweist.
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.
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.
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.
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:
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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").
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.
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.
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.
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.
Insbesondere für eine Verwendung in einem Photobioreaktor kann der vorgeschlagene hohle Lichtleiter noch weitere vorteilhafte Merkmale aufweisen.
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.
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.
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.
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.
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.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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.
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. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Lichtleiteranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer gewobenen Lichtleiteranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 zeigt einen Photobioreaktor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den unterschiedlichen Figuren gleiche bzw. gleich wirkende Merkmale.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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.
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.
Im in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist der Mantel 3 des Lichtleiters 1 an einer Stirnfläche (in Fig. 1 auf der rechten Seite) verschlossen.
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.
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.
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.
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.
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.
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. 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.
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.
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.
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.
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.
BEZUGSZEICHENLISTE
I Lichtleiter
3 Mantel
5 hohler Kern
7 Öffnungen
9 Bündel
I I Matte
13 Licht
15 Nährstoffe
17 Nährlösung zur Analyse
19 seitlich ausgekoppeltes Licht
21 Lichtleiteranordnung
23 Behälter
25 Nährlösung
27 Lichtquelle
29 natürliche Lichtquelle
30 Sonnenkollektor
31 künstliche Lichtquelle
32 LED
33 Laser
35 Anordnung aus Polarisator und Abschatter
37 Pufferbatterie
39 Wind kraft
41 Solarzellen
43 konventioneller Strom
45 Nährstoffquelle
47 Nährstoffquelle
49 Saugvorrichtung
51 Rührwerk
Őhotobioreaktor