WO2019034458A1 - Kammer für einen photobioreaktor - Google Patents

Kammer für einen photobioreaktor Download PDF

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WO2019034458A1
WO2019034458A1 PCT/EP2018/071212 EP2018071212W WO2019034458A1 WO 2019034458 A1 WO2019034458 A1 WO 2019034458A1 EP 2018071212 W EP2018071212 W EP 2018071212W WO 2019034458 A1 WO2019034458 A1 WO 2019034458A1
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chamber
chamber wall
radiation
radiation source
wall
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PCT/EP2018/071212
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Herbert Weiss
Roland Huettinger
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Osram Gmbh
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    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
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    • G02B6/001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type the light being emitted along at least a portion of the lateral surface of the fibre
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    • G02B6/0096—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the lights guides being of the hollow type

Definitions

  • the present invention relates to a chamber for a photobioreactor.
  • Photobioreactors are used for the production of microorganisms, which are generally phototrophic, that is to say use light for energy generation.
  • plants and bacteria include in particular algae.
  • B. introduced a culture ⁇ tion suspension, and it is often used the sunlight for the light supply.
  • the Kulti ⁇ multungssuspension can then, for example.
  • CO 2 and nutrients are supplied.
  • the present invention is based on the technical problem of specifying a particularly advantageous chamber for a photobioreactor.
  • Electromagnetic radiation of the chamber internal volume which receives the Kultivie approximately ⁇ mixture or the suspension during operation, one or more opto-electronic radiation sources are provided.
  • the irradiation takes place through the chamber wall, which is provided by an at least translucent chamber wall material.
  • the radiation in the form or ⁇ le (s) provided in direct optical contact with the chamber wall radiation is therefore coupled directly to the chamber wall.
  • the direct optical contact can offer efficiency advantages dexsprüngen example. Due to the reduction of Brechungsin-.
  • a uniform relative radiation or light ⁇ distribution can be achieved in the chamber interior volume, which may be in terms of efficient use of the cultivation mixture advantage.
  • Preferred embodiments can be found in the dependent claims and the entire disclosure, wherein the presentation does not always distinguish in detail between Vorrich- tungs- and process or use aspects; In any case, implicitly, the disclosure must be read with regard to all categories of claims. Likewise, it relates always both the chamber including ei ⁇ nen photobioreactor with a corresponding chamber.
  • the radiation source is primarily referred to, but the corresponding disclosure can also be read on a plurality of correspondingly provided / arranged radiation sources ("plurality” may, for example, mean at least 5, 10, 15 or 20) , of which independent upper limits may, for example, be at most 1,000, 500 or 100).
  • plural may, for example, mean at least 5, 10, 15 or 20
  • independent upper limits may, for example, be at most 1,000, 500 or 100.
  • “a” and “an” in the context of this disclosure are agreed to read articles and thus always without expressly indicating otherwise as “at least one (s)".
  • Upper limits can be, for example, at n zw ⁇ 2 or n zw ⁇ 1.8 , but preference is fixed.
  • the emission area of the radiation source can border directly to the chamber wall ⁇ material, the radiation source can, for example, a short distance into the chamber wall
  • the radiation between the emission surface and the chamber wall should not penetrate any air volume, in any case no optically effective with air volume (no volume of air that has such a size relative to the wavelength of the radiation that refraction results in the macroscopic).
  • the at least translucent, so any case light ⁇ permeable chamber wall material is preferably transparent rent, so opaque. This refers expressly ⁇ and fore- most on the chamber wall material itself, eg. Due to reflective coatings, etc. (see below in detail), the chamber wall in total then you can not be light or LOOK- permeable.
  • the chamber wall material may, for example, be a plastic material, e.g.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PVC polyvinyl chloride
  • PC polycarbonate
  • an opto-electronic radiation source is a radiation-lungs- or light-emitting diode (Light Emitting Dio ⁇ de, LED) is preferred, wherein the semiconducting material may be provided on organic-based (so-called OLED), although inorganic semiconductors spread currently still the most common and present are preferred.
  • OLED organic-based
  • the optoelectronic radiation source emits the electromagnetic radiation in response to an electrical stimulation. It is constructed, for example, from a semiconductor chip, the radiation emitted by it is also referred to as "primary radiation".
  • the primary radiation can be used directly and coupled into the chamber wall.
  • the radiation source may, for example, be provided on the basis of a III-V semiconductor, for example as InGaN-LED (indium gallium nitride, InGaN).
  • InGaN-LED indium gallium nitride, InGaN
  • the emitted therefrom Pri ⁇ märstrahlung z can. B. green or blue light, which can then be used directly.
  • the primary radiation can also be wavelength-converted by means of a phosphor element assigned to the semiconductor chip and typically applied in the form of platelets or layers.
  • a phosphor element associated with the LED chip in this form is regarded as part of the radiation source, and a radiation surface of the phosphor element then forms the emission surface of the radiation source as a rule.
  • a radiation surface of the phosphor element then forms the emission surface of the radiation source as a rule.
  • ge ⁇ addressed by "radiation” because, for example., Irradiation in the infrared is conceivable
  • Irradiation in the infrared is conceivable
  • the visible spectral range 380 nm to 780 nm
  • the semiconductor component itself can also be the radiation source, for example in the case of so-called direct chip mounting, but the radiation source is preferably a shelled component, which is then assembled in this form with the chamber wall Häusung can, for example, a substrate may be provided on which the Halbleiterbauele ⁇ element is arranged, and / or a filler material (in particular ⁇ sondere press or potting) with which the construction ⁇ element is at least partially coated. Further, for example, also electrical connections are part of the housing, via which the semiconductor component can be contacted from the outside.
  • the radiation source is preferably a shelled component, which is then assembled in this form with the chamber wall Häusung can, for example, a substrate may be provided on which the Halbleiterbauele ⁇ element is arranged, and / or a filler material (in particular ⁇ sondere press or potting) with which the construction ⁇ element is at least partially coated.
  • electrical connections are part of the housing, via which the semiconductor component can be contacted from the outside.
  • the radiation source is arranged on a chamber wall outer surface, ie on an outer wall surface of the chamber wall facing away from the chamber interior volume.
  • the radiation source is positioned in an emission region of the chamber wall in which radiation is emitted into the chamber interior volume at a chamber wall inner surface (inner wall surface of the chamber wall) facing the chamber interior volume.
  • it is coupled in on the outside where emissive on the inside as well. is done, cf.
  • Figures 1 to 4 for illustration (in particular in contrast to the lateral coupling according to Figures 5 to 9). This is hereinafter referred to as "Durchstrahlungseinkopplung".
  • the chamber wall Generally has the chamber wall, a surface extent where ⁇ does not necessarily but at they plan (just) be son ⁇ countries is even preferred curved (z. B. forming a tube. See the embodiment). in each case, the chamber wall locally has its areal extent in its surface directions, perpendicular to it is in each case the thicknesses ⁇ direction in the chamber wall thickness is taken. "Lateral” refers to surface directions. In the case of the arrangement of the radiation source described in the previous paragraph, its main emission direction may preferably be parallel to the thickness direction.
  • a "main direction" of radiation or light results as an average of the directional vectors along which the respective radiation / light propagates, weighted according to the radiant intensity
  • the radiation is coupled in laterally, ie the radiation source radiates laterally into the radiation source
  • the radiation source can be arranged, for example, on a chamber wall side surface, see Figures 5 and 7 to 9 for illustration, but also, for example, on the outer wall or inner wall surface, but not in the emission region (cf. Figure 6 for illustration).
  • an advantage of the lateral coupling may lie in the fact that no or at least fewer radiation sources are emitted in the emission on the chamber wall outer wall surface. are arranged ons Scheme. This allows, for example. A trailing shading be reduced from ambient light, eg. B. a combined sunlight / artificial light operation be ⁇ favorable (which is generally possible but also in the emission range arranged radiation sources).
  • the different coupling possibilities can also be combined, ie one part of the radiation can be injected laterally and another via transmission coupling. Accordingly, although the following embodiments primarily relate to a lateral coupling, they may also be of interest in or in combination with a radiation coupling-in.
  • the chamber wall inner surface is partially mirrored.
  • the laterally coupled radiation in the chamber wall can be guided laterally, for example., Preferably by Mehrfachreflexi ⁇ ones between Kammerwandinnen- and chamber wall outer surface.
  • the chamber wall outer surface for example, in turn be mirrored (see below), but it is also a To ⁇ talreflexions arrangement possible (because of the transition of the visually dense chamber wall material to op ⁇ table thinner ambient air).
  • the radiation reaches the emission area in a direction of incidence, which results in the main direction (see above).
  • the mirror coating on the chamber wall inner surface is preferably provided with a decreasing in the direction of irradiation area ratio provided is thus initially a pro rata basis less from the jewei ⁇ lig guided in the chamber wall radiation (larger area ratio of the reflective coating) and then increasing overall longer in the chamber interior volume leads.
  • interruptions of the mirroring in the direction of irradiation may be provided in a narrower sequence and / or with a respective larger area.
  • the regional reflection of the chamber wall inner surface can also be combined with a region-wise arrangement of phosphor.
  • the z. B. layered on the chamber wall inner surface phosphor can convert a primary radiation emitted by the radiation source ⁇ at least proportionately (see also below in detail).
  • a phosphor coating and a mirror coating can in particular be provided in a complementary manner to each other in a planar manner.
  • the phosphor can, for example, fill in discontinuities in the silvering, or vice versa (it is not absolutely necessary for both layers to be structured, but it is also possible to apply a continuous phosphor layer to a structured mirror layer).
  • structured layers ⁇ to these can be obtained before the film deposition eg. Through a corresponding Maskie ⁇ tion.
  • a lacquer mask for example, a lacquer layer can be applied, patterned by exposure and thus brought into the form of a mask. After deposition of the phosphor or mirroring layer onto this resist mask, the coating is removed in those areas which are to remain coating-free, together with the resist mask (for example with a solvent). But it is z.
  • a mask but, for example, also glued or even temporarily applied / stopped during the coating.
  • a structured application can be achieved.
  • the chamber wall defines an at least largely closed internal wall volume of the chamber (for example forms a pipe section)
  • individual chamber wall parts may initially be correspondingly coated and subsequently assembled in the production.
  • the chamber wall ⁇ parts can then, for example, be joined together, for example. By gluing, a fusion is possible.
  • the metal coating may preferably have a metalli ⁇ cal mirroring (but in general would also be conceivable dichroic coating systems).
  • a metal film may be vapor-deposited, or, for example, a reflective paste may also be applied, for example a silver paste.
  • a cavity is disposed within the chamber wall, so that within the chamber wall an interface for total reflection is formed.
  • the laterally coupled-in radiation between the chamber wall outer surface and the boundary surface formed within the chamber wall can be reflected several times and thus guided laterally.
  • a tube wall provided as a chamber wall of the cavity z. B. between two nested tube parts of different sizes, wherein the inner tube part has an outer diameter which is smaller than the inner diameter of the outer tube part.
  • the two pipe parts together form the chamber wall with the hollow ⁇ chamber therein.
  • a cavity can also be provided independently of the tube shape, for example in the case of a flat chamber wall between two plates.
  • a of the conventional technologies evacuated cavity within is conceivable preferably it is filled with gas, eg. With an inert gas ⁇ , or even with air.
  • gas eg. with an inert gas ⁇ , or even with air.
  • On a taken in the thickness direction of thickness of the chamber wall of the cavity may, for example, egg NEN proportion of at least 10% or 20%, have with mög ⁇ lichen (independent thereof) ceilings for example. More than 70%, 50% and 30% ( each increasingly preferred in the order of entry).
  • coupling structures for decoupling the radiation in the direction of the chamber wall inner surface are arranged at the interface.
  • Guided in the chamber wall radiation can be redistributed proportionally to the chamber internal volume down to one per ⁇ piping outcoupling eg. By scattering.
  • An otherwise smooth boundary surface may, for example, be locally contoured, for example roughened, in the region of a coupling-out structure.
  • the Auskopp ⁇ treatment of the guided in the chamber wall radiation can also be made indirectly, in conjunction with a wavelength conversion. For example, it is also possible for a phosphor arranged at the interface to form coupling-out structures.
  • the Kon ⁇ version radiation is z. B. omnidirectional and thus also in the direction of the chamber internal volume delivered (if necessary in combination with a dispersion of proportionately unconverted primary radiation on the phosphor).
  • a phosphor can also be embedded in the chamber wall mate ⁇ rial (see below in detail).
  • a region of the chamber wall proximal to the chamber interior may be mixed with phosphor.
  • the luminescent substance it is thus possible, for example, for the luminescent substance to be embedded in the inner tube part.
  • the coupling-out structures can then also be inert spreaders on the inner surface of the outer tubular part.
  • the coupling-out structures can be provided with an area proportion which increases in the direction of irradiation. Analogously to the above description, therefore, each proportionately, initially less and then increasingly coupled out of the guided in the chamber wall radiation. The distances between the coupling-out structures can decrease and / or the coupling-out structures can become larger.
  • the radiation source whose radiation is coupled in laterally, although outside the emission area, but still arranged on the Kam ⁇ merwandinnen Structure or outer surface.
  • the radiation source is arranged in a coupling region of the chamber wall, which adjoins the emission area laterally.
  • the interior wall surface of the chamber wall can, for example, be mirrored or otherwise concealed there; a fitting is preferred in the coupling region arranged over which the chamber wall with another chamber wall can be assembled (see below).
  • the radiation source is arranged in the coupling region on the chamber wall outer surface, cf. also Figure 6 for illustration.
  • an arrangement on the chamber wall inner surface is conceivable.
  • the radiation source usually has a fanned Emissi ⁇ onsprofil, typically Lambertsch. It is therefore even if the main radiation direction is substantially parallel to the thickness direction, a part of the radiation is coupled laterally and carried in the emission ⁇ area. This can be promoted by a reflective coating on the chamber wall inner surface and / or the chamber wall outer surface in the coupling region.
  • the radiation source can also be set obliquely despite the arrangement on the chamber wall inner surface or outer surface, so that, for example, a plurality of radiation sources can be arranged on a type of sawtooth profile (eg comparable to a hose coupling).
  • the radiation source arranged on the chamber wall outer or the chamber wall inner surface is at least partially embedded in the chamber wall.
  • the radiation source in the manufacture of the chamber is preferred ⁇ wall or a portion thereof, in which the radiation source is arranged, formed directly, the chamber wall material so the radiation source surrounds then at ⁇ least partially, which is possible in particular with plastic as Kam ⁇ merwandmaterial.
  • the depression can be formed directly in a molding process when the chamber wall is produced. But they can be introduced subsequently also, such as glass as the chamber wall material by corresponding Maskie ⁇ tion and etching with hydrofluoric acid (HF).
  • HF hydrofluoric acid
  • the ⁇ se is arranged on a chamber wall side surface, the chamber mermer side surface connects the Kammerwandinnen- with the chamber wall outer surface.
  • the chamber wall side surface thus has an extension in the thickness direction, preferably exclusively in the thickness direction, cf. the embodiment of Figures 7 to 9 for illustration.
  • the radiation source arranged on the chamber wall side surface then emits flatly into the chamber wall, ie, for example, with an irradiation direction of not more than 20 °, 15 °, 10 ° or 5 ° tilted to a surface direction of the chamber wall (that surface direction, with which they the smallest Including angle). This may allow a particularly efficient A ⁇ coupling and radiation guidance also over a long distance, in particular by total internal reflection.
  • the chamber wall forms a pipe section. Relative to a circulation around a tube axis, the chamber wall is then closed in itself (around the chamber internal volume), in a direction perpendicular to the tube axis.
  • the cutting plane it can describe a circular shape, but in general, for example, also have a polygonal shape, possibly with rounded edges.
  • a "diam ⁇ ser" is thus initially as an average of the smallest and largest extension in a direction perpendicular to the tube axis section plane to be considered, corresponding to the circle diameter in the preferred case of the circular geometry.
  • Possible internal diameter of the tubular section can, for example, at least 5 mm, 10 mm, 20 mm or 30 mm, and (independent of it) in the case of, for example, not more than 300 mm, 200 mm or 100 mm.
  • the chamber wall formed as a pipe section is preferably equipped with a fitting, via which the pipe section can be assembled with another pipe section.
  • the fitting may, for example, be a plug-in fitting into which the pipe sections can be pushed in from opposite sides. It is also a combination with a lock possible, for example. By externally screwing a locking ring after insertion.
  • the radiation source may be ⁇ preferably arranged in the fitting. This is advantageously used for the sake of mechanical construction anyway occupied area at the same time for the radiation coupling, which, for example, can be space-saving. It can, for example, a particularly efficient combi ⁇ nation with a sun light utilization be possible because can be reduced bringsschat ⁇ tete area shares through the dual use of the fitting.
  • a culture radiation which is emitted into the chamber interior volume and serves to cultivate the microorganisms is at least Partly formed by a conversion radiation.
  • a conversion radiation This is emitted by a phosphor which is arranged on or in the chamber wall.
  • the radiation source emits radiation, preferably this is the primary radiation originally emitted by the semiconductor component.
  • an orthosilicate or preferably nitrido-orthosilicate phosphor can be provided, but also lutetium-aluminum garnet (LuAG) is possible.
  • “Phosphor” may also refer to a mixture of different single luminescent substances.
  • At least a part of the integrated phosphor is arranged in the form of a layer on the chamber wall inner surface, at least in one area thereof.
  • a coating only in certain areas can be combined in particular with a complementary coating, see above.
  • fluorescent beschich ⁇ ended chamber wall inner surface may for example be merwandmaterial the inner surface ei ⁇ ner "simple" chamber wall from a continuous Chamber;.
  • the phosphor may other ⁇ hand, in the case of a chamber wall with a cavity (see above) may be disposed on the chamber inner wall surface ,
  • a phosphor layer may, for. B. particulate phosphor are applied in a suspension, wherein, for example, after evaporation of the liquid component agglomerated phosphor particles remain on the Oberflä ⁇ che.
  • the phosphor can, for example, in an applied as a layer of matrix material Unexamate ⁇ tet present, wherein the matrix material then remains at the Chamber merwandinnen Structure (a matrix material is z. Silicone).
  • the chamber wall surface arranged phosphor then also be coated with a further layer, which can serve as a protective layer to the chamber interior volume out, for example.
  • a silicone layer can serve as a protective layer to the chamber interior volume out, for example.
  • a portion of the phosphor in the form of particles in the chamber wall ⁇ material is at least embedded.
  • the phosphor can, for example, already be mixed with the chamber wall material during the production of the chamber wall or a part thereof, for example with liquid glass.
  • the phosphor particles similar color pigments are set to ⁇ , ie, during a shaping process (injection molding, extrusion etc.).
  • the chamber wall as a whole may be mixed with phosphor particles;
  • the phosphor may also be embedded in only part of it, for example in the inner tube part.
  • conductor tracks with which the radiation source is electrically conductively connected, are provided integrally.
  • the conductor tracks can be applied, for example, to the chamber wall material or also be embedded, for example as insert parts during injection molding. It can be molded as Lei ⁇ terbahnen eg. Copper wires.
  • metallic materials such as, for example, aluminum, copper or silver or even alloys, may be preferred.
  • the application can be, for example, a vapor deposition.
  • An example is a silver paste.
  • the trace can also be made from a be provided transparent or translucent material, here are, for example, oxides or polymers in question, an example is indium tin oxide (ITO). Also kohlenstoffba ⁇ catalyzed conductor paths are possible, especially wiring with carbon nanotubes is conceivable.
  • ITO indium tin oxide
  • the chamber has an optical sensor unit, for example.
  • the sensor unit is be ⁇ vorzugt for detecting ambient light furnishings, in particular sunlight.
  • an active sensor ⁇ surface (the falling out radiation is converted into a measuring signal ⁇ ), for example.
  • the chamber internal volume face away.
  • the sensor unit is preferably arranged on the upper side (incidence of sunlight).
  • Sen ⁇ sorritten may be provided, distributed about the case of the pipe section along the tube axis and / or circumferentially around this (not necessarily complete).
  • the Sensorein ⁇ unit (s) may, for example, can.
  • Radiation source also analogous to the radiation in the chamber wall material to be molded. Also regarding the possibilities for wiring, reference is made to the above information.
  • the chamber also has a control unit for controlling the radiation source, particularly preferably it is operatively connected to the sensor unit.
  • a control unit for controlling the radiation source particularly preferably it is operatively connected to the sensor unit.
  • Kings ⁇ nen be designed logic of the sensor unit (evaluating the sensor signal) and a logic control unit and integrated, but there are also separate modules possible.
  • the control unit for controlling the radiation source depending on the detected with the Sen ⁇ soranne ambient light is set up.
  • the Radiation source can remain completely turned off, for example., So long as the sensor unit sufficiently detected ambient light ⁇ . If a threshold value falls below, the radiation source can be switched on, ie, for example. At night or depending on the conditions (Wol ⁇ kenbedeckung etc.).
  • the connection does not necessarily have to be digital, the intensity can also be adjusted stepwise or even stepwise.
  • the invention also relates to a photobioreactor with a presently disclosed chamber.
  • the photobioreactor can, for example, have a CO 2 supply of the chamber internal volume and / or means for nutrient supply or also for monitoring the cultivation mixture.
  • a circulation pump may also be provided.
  • the invention also relates to a use, in particular a chamber disclosed herein or a corresponding photobioreactor for culturing of micro orga ⁇ mechanisms.
  • a cultivation mixture in particular a cultivation suspension is arranged in the chamber interior volume, and is irradiated with a radiation source be ⁇ . This is provided in direct optical contact with the cultivation mixture, the radiation is thus coupled directly into this.
  • the "intermediate material” for example, can be the chamber wall material.
  • the emission surface of the Strah ⁇ radiation source but also directly to the cultivation mixture / suspension can culturing limits.
  • Figure 1 shows a chamber according to the invention for a Photobio ⁇ reactor in a schematic representation in a sectional oblique view
  • Figure 2 shows a first way to irradiate a
  • FIG. 1 Chamber interior volume of the chamber according to Figure 1;
  • Figure 3 shows a second way to irradiate a
  • Figure 4 shows a third way of irradiating a
  • FIG. 5 shows, in a schematic longitudinal section, a lateral coupling of radiation into a chamber wall, likewise for irradiating the chamber internal volume
  • FIG. 6 shows a further possibility for the lateral coupling of radiation into a chamber wall, again in a schematic longitudinal section
  • FIG. 7 shows a chamber wall with a cavity for laterally guiding the radiation by total reflection, again in a schematic longitudinal section;
  • FIG. 8 likewise, for the lateral radiation guidance in the chamber wall, a mirroring associated with the chamber wall outer surface, again in a schematic longitudinal section;
  • FIG. 9 shows a combination of mirroring of the chamber wall outer surface and the phosphor coating of the chamber wall inner surface, again in a schematic view in longitudinal section ⁇ .
  • FIG. 1 shows a chamber 1 for a photobioreactor with a chamber wall 2 which delimits a chamber internal volume 3.
  • a culture suspension for the production of microorganisms is introduced into this chamber interior volume 3, for example for the production of algae.
  • the chamber wall 2 is provided in the present case of glass.
  • a plurality of radiation sources 4, namely LEDs are arranged in direct optical contact with it (in the following, for the sake of simplicity, priority is once again given to "the" radiation source).
  • the radiation passes into the chamber wall 2 substantially without refraction, and from there also without significant refraction into the chamber internal volume (glass / water transition). It is an at least loss-reduced and at the same time homogeneous Radiation of the chamber interior volume 3 possible, in addition, the integration of the radiation source 4 allows a total ⁇ compact construction, it is expressly made to the advantages in the introduction to the description.
  • the radiation sources 4 are electrically connected via conductor tracks 5. These may be brought to a chamber wall outer surface 6 facing away from the chamber interior volume 3, or, for example, may also be molded into the glass (cf. also the introduction to the description).
  • the chamber further has sensor units 7, in the present case photodiodes.
  • the chamber wall 2 is irradiated, that is to say the radiation source 4 is arranged in an emission region of the chamber wall 2. orders, in which on a the chamber inner volume 3 facing chamber wall inner surface 10 radiation in the Kamme ⁇ trough volume 3 is discharged.
  • the radiation that ultimately acts on the cultivation suspension is also referred to as culturing radiation.
  • the radiation source 4 itself emits the cultivation radiation. In the present case, this is the primary radiation 31 originally emitted by the semiconductor component, but the radiation source 4 can also be designed to be converting or partially converting, cf. also the description introduction.
  • a phosphor for wavelength conversion is integrated on or into the chamber wall 2.
  • a layer 30 of the phosphor is brought to ⁇ in the variant of Figure 3 to the chamber ⁇ inner wall surface 10 (e.g., B. agglomerated phosphor particles or phosphor particles in a matrix material. See the description Introduction).
  • the radiation source 4 emits the primary radiation 31, in the present case blue light. This is wellenauernkonver ⁇ advantage in the layer 30, it results in a conversion radiation 32 length ⁇ rer wavelength (in this case green light).
  • the cultivation radiation can thus be composed of conversion radiation 32 and proportionately unconverted primary radiation 31st
  • the phosphor is embedded in the chamber wall 2.
  • the phosphor particles 40 are molded into the glass, that is, held therein as a matrix.
  • the radiation source 4 is subsequently placed on the chamber wall 2, it may, for example, an adhesive (not shown) at the same time serve as Im ⁇ mersionsmaterial and convey the direct optical contact.
  • the radiation source 4 is formed in contrast to the chamber wall 2. It is correspondingly offset a little way radially inward, the chamber wall outer surface 6 jumps locally inwards.
  • FIG. 5 shows a further possibility for coupling the radiation into the tubular chamber wall 2. Shown is a schematic section, wherein the tube axis
  • the radiation source 4 is not disposed at an emitting region 50 in which to the chamber wall inner surface 10 of radiation is emitted into the gutter comb ⁇ volume 3, but laterally outside thereof.
  • the radiation source 4 is arranged on a chamber wall side surface 51 which extends between the chamber wall outer surface 6 and the chamber wall inner surface
  • the radiation is coupled in with an irradiation direction 52 as the main direction, which coincides with a surface direction 53 of the chamber wall 2 (the surface direction 53 is perpendicular to the thickness direction 54).
  • a reflective coating 55 is disposed on the Kammerwandau ⁇ z Structure 6, present throughout as it directly deposited metal film.
  • the chamber wall outer surface 6 could, however, also be uncoated, ie the radiation can be guided laterally by total reflection (transition glass / ambient air), cf.
  • a Vorspiege ⁇ system is arranged 56, wherein the area percentage decreases in ⁇ A beam direction of the radiation source 4 away.
  • Interruptions 57 of the mirror coating 56 are correspondingly increasingly larger. As a result, less radiation and then increasingly more radiation are emitted by the radiation guided in the chamber wall 2 into the chamber interior volume 3 through the interruptions 57.
  • the radiation source 4 emits the cultivation radiation, which itself thus seen at o- in the chamber wall 2, no fluorescent before ⁇ .
  • the interruptions 57 it would also be possible, for example, for the interruptions 57 to be filled with luminescent material, ie if this could be arranged analogously to FIG. 3 on the chamber wall inner surface 10, but only in the interruptions 57.
  • the chamber wall 2 may be a phosphor ⁇ a bed, analogous to the variant of FIG. 4
  • FIG. 5 also shows a fitting 60, via which the chamber wall 2, which is formed as a pipe section, is plugged together with another pipe section.
  • the photobioreactor can then be composed of a plurality of such pipe sections, which then, for example, loop or meandering etc. extend.
  • the radiation source 4 may preferably be integrated into the fitting, so then, for example, only with the insertion of the Kam- merwand 2 get into direct optical contact with the chamber wall side surface 51.
  • Figure 6 also shows a coupling outside the TERMS ⁇ ons Schemes 50, in which the radiation is guided laterally screwing in.
  • the radiation source 4 is indeed au ⁇ arranged ßerraum of the emission region 50, but nevertheless at the chamber wall outer surface 6, namely a A ⁇ coupling region 65. In this passes no radiation on the chamber inner wall surface 10 in the chamber interior volume 3, in this case, there is provided a reflective coating 56 ,
  • the chamber wall 2 has a radially outer part 2 a and a radially inner part 2 b.
  • the two parts 2a, b are spaced about ei ⁇ NEN cavity 70 to each other, which is presently filled with air.
  • an interface 71 is formed within the chamber wall 2, at which the radiation is guided by total reflection.
  • the radiation is coupled into the radially outer portion 2a and is guided therein by total reflection at the interface 71 and the chamber wall outer surface 6.
  • Outcoupling structures 72 are at the interface 71 is provided, to which the radiation is scattered, and accordingly spre ⁇ accordingly is brought at least partially in the direction of the chamber in ⁇ nenvolumens. 3 Emits the radiation source 4 as in the present ⁇ original lung the Kultiv istsstrah-, the outcoupling structures 72 may, for example. Roughened Be surface areas. Alternatively, the Strah ⁇ radiation source 4 may also emit the primary radiation, which could then be converted by provided as a coupling-out 72 phosphor islands (not shown). Further, the radiation source 4 could also emit the primary radiation which is converted decoupled via stray coupling-out 72 through the cavity 70 and only then (Antei ⁇ lig), eg. With an embedded into the radially nere in ⁇ part 2b phosphor and / or at the Chamber wall inner surface 10 arranged phosphor layer ⁇ 30th
  • the chamber wall outer surface 6 is assigned a silver coating 55, which, however, in this case does not directly adjoin the chamber wall outer surface 6.
  • a cavity 80 is provided, in the present case filled with air. Accordingly, the Strah ⁇ lung on the chamber wall outer surface 6 is initially guided by total reflection ⁇ .
  • the mirror coating 55 can then, for example, but, at angles outside the total reflection angle incident radiation back toward Kammerinnenvo ⁇ lumen 3 reflect. This combination may be of interest because the radiation guidance by total reflection is very efficient in itself, but just angle-dependent.
  • the chamber wall inner surface 10 is provided in regions with a reflective coating 56 and in their interruptions complementary thereto with a phosphor layer 30.
  • the radiation source 4 emits primary radiation 31, which (in proportion) is reacted in the convergence ⁇ sion radiation 32 then by the phosphor layer 30th Alternatively, the radiation source could, for example, 4, directly emit radiation and could Kultivie ⁇ approximately at the Kammerwandin- nen preparation 10 only the mirror coating 56 may be arranged.
  • the chamber wall outer surface 6 is likewise associated with a reflective coating 55, but, in contrast to FIG. 8, directly adjacent thereto.
  • the radiation source 4 emit the primary radiation ⁇ oriented radiation 31 (proportionately) is converted into conversion radiation 32 from a layer 30 of the phosphor on the chamber inner wall surface 10th Alternatively or additionally, the phosphor could also be embedded in the chamber wall 2, cf. Figure 4 for illustration.
  • Chamber wall 2 radially outer part 2a radially inner part 2b
  • Radiation sources 4 tracks (contact radiation sources) 5
  • Interface 71 outcoupling structures 72 cavity (between chamber wall outer surface

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kammer (1) für einen Photobioreaktor, mit einer Kammerwand (2) aus einem zumindest transluzenten Kammerwandmaterial, welche Kammerwand (2) ein Kammerinnenvolumen (3) zur Aufnahme eines Kultivierungsgemischs für Mikroorganismen begrenzt, und zumindest einer optoelektronischen Strahlungsquelle (4) zur elektromagnetischen Bestrahlung des Kammerinnenvolumens (3) durch die Kammerwand (2), wobei die zumindest eine Strahlungsquelle (4) in direktem optischen Kontakt mit der Kammerwand (2) vorgesehen ist.

Description

KAMMER FÜR EINEN PHOTOBIOREAKTOR
BESCHREIBUNG Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kammer für einen Photobioreaktor .
Stand der Technik Photobioreaktoren werden zur Produktion von Mikroorganismen genutzt, die in der Regel phototroph sind, also Licht zur Energiegewinnung nutzen. Neben z. B. Pflanzen und Bakterien zählen dazu insbesondere auch Algen. Zur Kultivierung wird in eine geschlossene oder auch nach oben of- fene Kammer des Photobioreaktors z. B. eine Kultivie¬ rungssuspension eingebracht, und es wird vielfach das Sonnenlicht für die Lichtversorgung genutzt. Der Kulti¬ vierungssuspension können dann bspw. auch gezielt CO2 bzw. Nährstoffe zugeführt werden.
Darstellung der Erfindung Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Kammer für einen Photobioreaktor anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Kammer gemäß Anspruch 1 gelöst. Zur elektromagnetischen Bestrahlung des Kammerinnenvolumens, welches im Betrieb das Kultivie¬ rungsgemisch bzw. die Suspension aufnimmt, sind eine oder mehrere optoelektronische Strahlungsquellen vorgesehen. Die Bestrahlung erfolgt durch die Kammerwand hindurch, die aus einem zumindest transluzenten Kammerwandmaterial vorgesehen ist. Konkret ist bzw. sind die Strahlungsquel¬ le (n) in direktem optischen Kontakt mit der Kammerwand vorgesehen, wird die Strahlung also direkt in die Kammerwand eingekoppelt. Etwa im Vergleich zu einer zu der Kam¬ merwand beabstandeten Lichtquelle, also einer Lichtführung durch die Umgebungsluft, kann der direkte optische Kontakt bspw. aufgrund der Verringerung von Brechungsin- dexsprüngen Effizienzvorteile bieten. Es kann bspw. auch eine im Verhältnis gleichmäßige Strahlungs- bzw. Licht¬ verteilung im Kammerinnenvolumen erreicht werden, was hinsichtlich einer effizienten Nutzung des Kultivierungs- gemischs von Vorteil sein kann. Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrich- tungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Ebenso betrifft sie stets sowohl die Kammer also auch ei¬ nen Photobioreaktor mit einer entsprechenden Kammer. Ferner wird im Folgenden der Einfachheit halber vorrangig von „der" Strahlungsquelle gesprochen, ist die entspre- chende Offenbarung jedoch auch auf eine Mehrzahl entsprechend vorgesehener/angeordneter Strahlungsquellen zu lesen („Mehrzahl" kann bspw. mindestens 5, 10, 15 bzw. 20 meinen, davon unabhängige Obergrenzen können bspw. bei höchstens 1.000, 500 bzw. 100 liegen). Generell sind „ein" und „eine" im Rahmen dieser Offenbarung als unbe- stimmte Artikel und damit ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe immer auch als „mindestens ein (e) " zu lesen.
Die Strahlungsquelle ist in „direktem optischen Kontakt" mit der Kammerwand vorgesehen, zwischen einer Emissions- fläche der Strahlungsquelle und der Kammerwand soll die emittierte Strahlung also bspw. allenfalls ein Zwischenmaterial mit einem Brechungsindex nzw > 1,2 durchsetzen, wobei nzw > 1,3 bzw. > 1,4 weiter und besonderes bevorzugt sind (Brechungsindizes werden vorliegend generell bei λ = 589 nm betrachtet) . Obergrenzen können bspw. bei nzw < 2 bzw. nzw < 1,8 liegen. Die Strahlungsquelle kann also bspw. über ein Immersionsmaterial an die Kammerwand gekoppelt sein, das im Allgemeinen auch flüssig sein kann, bevorzugt jedoch fest ist. Die Emissionsfläche der Strahlungsquelle kann aber auch direkt an das Kammerwand¬ material grenzen, die Strahlungsquelle kann bspw. auch ein Stück weit in die Kammerwand eingeformt sein (siehe unten) . Zwischen der Emissionsfläche und der Kammerwand soll die Strahlung z. B. kein Luftvolumen durchsetzen, jedenfalls kein optisch wirksames Luftvolumen (kein Luftvolumen, das bezogen auf die Wellenlänge der Strahlung eine solche Größe hat, dass im Makroskopischen Brechungen resultieren) .
Im Vergleich zu einer externen Lichtquelle kann der di- rekte optische Kontakt bspw. auch einen insgesamt kompak¬ ten Aufbau ermöglichen. Etwa im Falle eines Reaktors mit röhrenförmigen Kammern können diese dann bspw. näher beisammen angeordnet sein, was eine effiziente Raumausnut¬ zung ermöglicht und auch Materialkosten reduzieren helfen kann. Das zumindest transluzente, also jedenfalls licht¬ durchlässige Kammerwandmaterial ist bevorzugt transpa- rent, also blickdurchlässig. Dies bezieht sich ausdrück¬ lich auf das Kammerwandmaterial an sich, bspw. aufgrund von Verspiegelungen etc. (siehe unten im Detail) kann die Kammerwand im Gesamten dann auch nicht licht- bzw. blick- durchlässig sein. Das Kammerwandmaterial kann bspw. ein Kunststoffmaterial sein, z. B. Polymethylmethacrylat (PMMA) oder auch Polyvinylchlorid (PVC) bzw. Polycarbonat (PC) . Bevorzugt ist Glas, bspw. aufgrund der Strahlungs¬ beständigkeit . Als optoelektronische Strahlungsquelle ist eine strah- lungs- bzw. lichtemittierende Diode (Light Emitting Dio¬ de, LED) bevorzugt, wobei das halbleitende Material auch auf organischer Basis vorgesehen sein kann (sogenannte OLED) , wenngleich anorganische Halbleiter gegenwärtig noch am weitesten verbreitet und vorliegend bevorzugt sind. Die optoelektronische Strahlungsquelle emittiert auf eine elektrische Anregung hin die elektromagnetische Strahlung. Sie ist bspw. aus einem Halbleiter-Chip aufgebaut, die davon emittierte Strahlung wird auch als „Pri- märstrahlung" bezeichnet.
Je nach Aufbau im Einzelnen kann dann entweder direkt die Primärstrahlung genutzt und in die Kammerwand gekoppelt werden. Die Strahlungsquelle kann bspw. auf Basis eines III-V-Halbleiters vorgesehen sein, etwa als InGaN-LED (Indiumgalliumnitrid, InGaN) . Die davon emittierte Pri¬ märstrahlung kann z. B. grünes oder blaues Licht sein, das dann auch direkt genutzt werden kann. Andererseits kann die Primärstrahlung aber auch mit einem dem Halbleiter-Chip zugeordneten, typischerweise plättchen- oder schichtförmig aufgebrachten Leuchtstoffelement wellenlängenkonvertiert werden. Ein in dieser Form dem LED-Chip zugeordnetes Leuchtstoffelement wird als Teil der Strahlungsquelle betrachtet, eine Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements bildet dann in der Regel die Emissionsfläche der Strahlungsquelle. Generell wird vorliegend überwiegend von „Strahlung" ge¬ sprochen, weil bspw. auch eine Bestrahlung im Infraroten denkbar ist. Von besonderem Interesse ist aber der sichtbare Spektralbereich (380 nm bis 780 nm) , bevorzugt handelt es sich bei der Strahlung also um sichtbares Licht. Im Allgemeinen kann auch bereits das Halbleiterbauelement für sich die Strahlungsquelle darstellen, etwa im Falle einer sogenannten Chip-Direktmontage. Bevorzugt handelt es sich bei der Strahlungsquelle aber um ein gehäustes Bauelement, das dann in dieser Form mit der Kammerwand zusammengesetzt wird. Als Teil der Häusung kann bspw. ein Substrat vorgesehen sein, auf dem das Halbleiterbauele¬ ment angeordnet ist, und/oder eine Verfüllmasse (insbe¬ sondere Press- bzw. Vergussmasse), mit welcher das Bau¬ element zumindest teilweise umhüllt ist. Ferner können bspw. auch elektrische Anschlüsse Teil der Häusung sein, über welche das Halbleiterbauelement von außen kontak- tierbar ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Strahlungsquelle an einer Kammerwandaußenfläche angeordnet, also an einer dem Kammerinnenvolumen abgewandten Außenwandfläche der Kammerwand. Dabei ist die Strahlungsquelle in einem Emissionsbereich der Kammerwand positioniert, in dem an einer dem Kammerinnenvolumen zugewandten Kammerwandinnenfläche (Innenwandfläche der Kammerwand) Strahlung in das Kammerinnenvolumen emittiert wird. In anderen Worten wird außenseitig dort eingekoppelt, wo auch innenseitig emit- tiert wird, vgl. die Figuren 1 bis 4 zur Illustration (insbesondere im Unterschied zur seitlichen Einkopplung gemäß den Figuren 5 bis 9) . Dies wird nachstehend auch als „Durchstrahlungseinkopplung" bezeichnet. Generell hat die Kammerwand eine Flächenerstreckung, wo¬ bei sie aber nicht zwingend plan (eben) sein muss, son¬ dern sogar bevorzugt gekrümmt ist (z. B. ein Rohrstück bildet, vgl. das Ausführungsbeispiel). Jeweils lokal hat die Kammerwand ihre flächige Erstreckung in ihren Flä- chenrichtungen, senkrecht dazu liegt jeweils die Dicken¬ richtung, in der die Kammerwanddicke genommen wird. „Seitlich" bezieht sich auf die Flächenrichtungen. Bei der im vorherigen Absatz beschriebenen Anordnung der Strahlungsquelle kann deren Hauptabstrahlrichtung bevor- zugt parallel zur Dickenrichtung liegen. Generell ergibt sich eine „Hauptrichtung" von Strahlung bzw. Licht als Mittelwert der Richtungsvektoren, entlang welchen sich die jeweilige Strahlung / das Licht ausbreitet, gewichtet nach der Strahlstärke. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Strahlung seitlich eingekoppelt, strahlt die Strahlungsquelle also seitlich in den Emissionsbereich hinein. Wie nachstehend im Einzelnen erläutert, kann die Strahlungsquelle bspw. an einer Kammerwandseitenfläche angeordnet sein, vgl. die Figuren 5 und 7 bis 9 zur Illustration, aber bspw. auch an der Außenwand- oder Innenwandfläche, dabei aber nicht im Emissionsbereich (vgl. Figur 6 zur Illustration) .
Generell kann ein Vorteil der seitlichen Einkopplung bspw. darin liegen, dass an der Kammerwandaußenwandfläche keine bzw. zumindest weniger Strahlungsquellen im Emissi- onsbereich angeordnet sind. Damit kann bspw. eine Ab¬ schattung von Umgebungslicht verringert sein, was z. B. einen kombinierten Sonnenlicht-/Kunstlicht-Betrieb be¬ günstigen kann (der im Allgemeinen aber auch bei im Emis- sionsbereich angeordneten Strahlungsquellen möglich ist) . Generell können die unterschiedlichen Einkoppelmöglichkeiten auch kombiniert werden, kann also ein Teil der Strahlung seitlich und ein anderer per Durchstrahlungs- einkopplung eingekoppelt werden. Entsprechend beziehen sich auch die folgenden Ausführungsformen zwar vorrangig auf eine seitliche Einkopplung, können sie aber auch bei bzw. in Kombination mit einer Durchstrahlungseinkopplung von Interesse sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kammerwand- innenfläche bereichsweise verspiegelt. Damit kann bspw. die seitlich eingekoppelte Strahlung in der Kammerwand seitlich geführt werden, bevorzugt durch Mehrfachreflexi¬ onen zwischen Kammerwandinnen- und Kammerwandaußenfläche. Dazu kann die Kammerwandaußenfläche bspw. auch ihrerseits verspiegelt sein (siehe unten) , es ist aber auch eine To¬ talreflexionsführung möglich (wegen des Übergangs des im Verhältnis optisch dichten Kammerwandmaterials zur op¬ tisch dünneren Umgebungsluft) .
Die Strahlung gelangt in einer Einstrahlrichtung in den Emissionsbereich, die sich als Hauptrichtung ergibt (siehe vorne) . Bevorzugt ist die Verspiegelung an der Kammerwandinnenfläche mit einem in der Einstrahlrichtung abnehmenden Flächenanteil vorgesehen, wird also von der jewei¬ lig in der Kammerwand geführten Strahlung anfangs antei- lig weniger (größerer Flächenanteil der Verspiegelung) und dann zunehmend mehr in das Kammerinnenvolumen ge- führt. Es können also bspw. Unterbrechungen der Verspiegelung in der Einstrahlrichtung in engerer Abfolge und/oder mit jeweilig größerer Fläche vorgesehen sein.
Die bereichsweise Verspiegelung der Kammerwandinnenfläche kann auch mit einer bereichsweisen Anordnung von Leuchtstoff kombiniert sein. Der z. B. schichtförmig auf die Kammerwandinnenfläche aufgebrachte Leuchtstoff kann eine von der Strahlungsquelle emittierte Primärstrahlung zu¬ mindest anteilig konvertieren (siehe auch unten im De- tail) . Eine Leuchtstoff- und eine Verspiegelungsbeschich- tung können insbesondere einander flächig ergänzend vorgesehen sein. Der Leuchtstoff kann bspw. Unterbrechungen der Verspiegelung ausfüllen, bzw. umgekehrt (dabei müssen nicht zwingend beide Schichten strukturiert sein, sondern kann auch eine durchgehende LeuchtstoffSchicht auf eine strukturierte Spiegelschicht aufgebracht werden) .
Soweit generell strukturierte Schichten beschrieben wer¬ den, können diese bspw. durch eine entsprechende Maskie¬ rung vor der Schichtabscheidung erhalten werden. Etwa im Falle einer Lackmaske kann eine Lackschicht aufgebracht, durch Belichten strukturiert und so in Maskenform gebracht werden. Nach einer Abscheidung der Leuchtstoff- oder Verspiegelungsschicht auf diese Lackmaske wird die Beschichtung in jenen Bereichen, die beschichtungsfrei bleiben sollen, samt der Lackmaske abgelöst (bspw. mit einem Lösungsmittel) . Es ist aber z. B. auch die umge¬ kehrte Vorgehensweise möglich, dass also zunächst die ei¬ gentlich gewünschte Schicht abgeschieden und anschließend mit einer Maske strukturiert wird. Ebenso kann eine Maske aber bspw. auch aufgeklebt oder bei der Beschichtung auch nur zeitweilig angelegt/angehalten werden. Ferner kann bspw. auch durch Aufstreichen oder -drucken eine strukturierte Aufbringung erreicht werden.
Insbesondere wenn die Kammerwand ein zumindest weitgehend abgeschlossenes Kammerwandinnenvolumen begrenzt (z. B. ein Rohrstück bildet) , können in der Herstellung auch zunächst einzelne Kammerwandteile entsprechend beschichtet und anschließend zusammengesetzt werden. Die Kammerwand¬ teile können dann bspw. miteinander gefügt werden, bspw. durch Kleben, auch ein Verschmelzen ist möglich. Unabhän- gig davon kann die Verspiegelung bevorzugt eine metalli¬ sche Verspiegelung sein (im Allgemeinen wären aber auch dichroitische Schichtsysteme denkbar). Es kann bspw. ein Metallfilm aufgedampft sein, oder aber bspw. auch eine reflektive Paste aufgebracht werden, etwa eine Silberpas- te .
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist innerhalb der Kammerwand ein Hohlraum angeordnet, sodass innerhalb der Kammerwand eine Grenzfläche zur Totalreflexion gebildet ist. Es kann also bspw. die seitlich eingekoppelte Strah- lung zwischen der Kammerwandaußenfläche und der innerhalb der Kammerwand ausgebildeten Grenzfläche mehrfach reflektiert und so seitlich geführt werden. Etwa im Falle einer als Rohrstück vorgesehenen Kammerwand kann der Hohlraum z. B. zwischen zwei ineinander gesetzten Rohrteilen un- terschiedlicher Größe ausgebildet sein, wobei das innere Rohrteil einen Außendurchmesser hat, der kleiner als der Innendurchmesser des äußeren Rohrteils ist. Die beiden Rohrteile gemeinsam bilden die Kammerwand mit der Hohl¬ kammer darin. Die Strahlung kann dann seitlich in das äu- ßere Rohrteil eingekoppelt werden, dessen Außenfläche bildet die Kammerwandaußenfläche. Zwischen dieser und der Innenfläche (= Grenzfläche) des äußeren Rohrteils ist die Strahlung dann durch Mehrfachreflexionen geführt.
Ein Hohlraum kann aber auch unabhängig von der Rohrform vorgesehen sein, etwa im Falle einer planen Kammerwand zwischen zwei Platten. Im Allgemeinen ist auch ein im Rahmen des technisch Üblichen evakuierter Hohlraum denkbar, bevorzugt ist er gasgefüllt, bspw. mit einem Inert¬ gas, oder auch mit Luft. An einer in Dickenrichtung genommenen Dicke der Kammerwand kann der Hohlraum bspw. ei- nen Anteil von mindestens 10 % bzw. 20 % haben, mit mög¬ lichen (davon unabhängigen) Obergrenzen bei bspw. höchstens 70 %, 50 % bzw. 30 % (jeweils in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt) .
In bevorzugter Ausgestaltung sind an der Grenzfläche Aus- koppelstrukturen zur Auskopplung der Strahlung in Richtung der Kammerwandinnenfläche angeordnet. An einer je¬ weiligen Auskoppelstruktur kann die in der Kammerwand geführte Strahlung bspw. durch Streuung anteilig zum Kammerinnenvolumen hin umverteilt werden. Eine ansonsten glat- te Grenzfläche kann im Bereich einer Auskoppelstruktur bspw. lokal konturiert sein, etwa angeraut. Die Auskopp¬ lung der in der Kammerwand geführten Strahlung kann aber auch mittelbar, in Verbindung mit einer Wellenlängenkonversion erfolgen. Es kann bspw. auch ein an der Grenzflä- che angeordneter Leuchtstoff Auskoppelstrukturen bilden. In der Kammerwand wird dann bspw. Primärstrahlung geführt, die von dem an der Grenzfläche angeordneten Leuchtstoff zumindest anteilig konvertiert wird; die Kon¬ versionsstrahlung wird z. B. omnidirektional und damit auch in Richtung des Kammerinnenvolumens abgegeben (ggf. in Kombination mit einer Streuung anteilig nicht konvertierter Primärstrahlung an dem Leuchtstoff) .
Generell kann ein Leuchtstoff auch in das Kammerwandmate¬ rial eingebettet sein (siehe unten im Detail) . Im Falle des die Grenzfläche bildenenden Hohlraums kann bspw. ein demgegenüber dem Kammerinnenvolumen proximaler Bereich der Kammerwand mit Leuchtstoff versetzt sein. Im Falle der vorstehend beschriebenen, ineinander gesetzten Rohrteile kann also bspw. in das innere Rohrteil der Leucht- Stoff eingebettet sein. Die Auskoppelstrukturen können dann auch Inertstreuer an der Innenfläche des äußeren Rohrteils sein.
Unabhängig von ihrer Ausgestaltung im Einzelnen können die Auskoppelstrukturen mit einem in der Einstrahlrich- tung zunehmenden Flächenanteil vorgesehen sein. Analog der vorstehenden Beschreibung wird also, jeweils anteilig, anfangs weniger und dann zunehmend mehr der in der Kammerwand geführten Strahlung ausgekoppelt. Es können die Abstände zwischen den Auskoppelstrukturen abnehmen und/oder die Auskoppelstrukturen größer werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Strahlungsquelle, deren Strahlung seitlich eingekoppelt wird, zwar außerhalb des Emissionsbereichs, aber dennoch an der Kam¬ merwandinnenfläche oder -außenfläche angeordnet. Die Strahlungsquelle ist in einem Einkoppelbereich der Kammerwand angeordnet, der seitlich an den Emissionsbereich anschließt. In dem Einkoppelbereich wird keine Strahlung in das Kammerinnenvolumen abgegeben, die Kammerwandinnenfläche kann dort bspw. verspiegelt oder anderweitig ver- deckt sein; bevorzugt ist im Einkoppelbereich ein Fitting angeordnet, über das die Kammerwand mit einer weiteren Kammerwand zusammenbaubar ist (siehe unten) .
Bevorzugt ist die Strahlungsquelle im Einkoppelbereich an der Kammerwandaußenfläche angeordnet, vgl. auch Figur 6 zur Illustration. Im Allgemeinen ist aber auch eine Anordnung an der Kammerwandinnenfläche denkbar. Generell wird bei dieser Form der Einkopplung ausgenutzt, dass die Strahlungsquelle in der Regel ein aufgefächertes Emissi¬ onsprofil hat, typischerweise Lambertsch. Es wird also, auch wenn die Hauptabstrahlrichtung im Wesentlichen parallel zur Dickenrichtung liegt, ein Teil der Strahlung seitlich eingekoppelt und entsprechend in den Emissions¬ bereich geführt. Dies kann durch eine Verspiegelung an der Kammerwandinnenfläche und/oder der Kammerwandaußen- fläche im Einkoppelbereich begünstigt werden. Ferner kann die Strahlungsquelle trotz der Anordnung an der Kammerwandinnenfläche oder -außenfläche auch schräg angestellt sein, können also bspw. mehrere Strahlungsquellen auf einer Art Sägezahnprofil (z. B. einer Schlauchkupplung ver- gleichbar) angeordnet sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die sowohl die seitliche also auch die Durchstrahlungseinkopplung betrifft, ist die an der Kammerwandaußen- oder der Kammerwandinnenfläche angeordnete Strahlungsquelle zumindest teilweise in die Kammerwand eingebettet. Die entsprechen¬ de Kammerwandfläche ist dort also lokal mit einer Vertie¬ fung geformt, springt also gegenüber einem umliegenden Umgebungsbereich zurück (zum Kammerinnenvolumen hin oder davon weg im Falle der Kammerwandinnenfläche) . Bevorzugt wird die Strahlungsquelle bei der Herstellung der Kammer¬ wand bzw. eines Bereichs davon, in dem die Strahlungs- quelle angeordnet ist, direkt eingeformt, umschließt das Kammerwandmaterial dann also die Strahlungsquelle zumin¬ dest teilweise, was insbesondere bei Kunststoff als Kam¬ merwandmaterial möglich ist. Es kann aber auch zunächst die Vertiefung ausgebildet und dann anschließend darin die Strahlungsquelle angeordnet werden. Die Vertiefung kann bspw. bei einer Herstellung der Kammerwand in einem formenden Verfahren direkt mit eingeformt werden. Sie kann aber auch nachträglich eingebracht werden, etwa bei Glas als Kammerwandmaterial durch entsprechende Maskie¬ rung und Ätzen mit Flusssäure (HF) .
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die eine Strahlungsquelle mit seitlicher Einkopplung betrifft, ist die¬ se an einer Kammerwandseitenfläche angeordnet, die Kam- merwandseitenfläche verbindet die Kammerwandinnen- mit der Kammerwandaußenfläche. Die Kammerwandseitenfläche hat also eine Erstreckung in Dickenrichtung, bevorzugt ausschließlich in Dickenrichtung, vgl. das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 7 bis 9 zur Illustration. Die an der Kammerwandseitenfläche angeordnete Strahlungsquelle emittiert dann flächig in die Kammerwand, also bspw. mit einer Einstrahlrichtung um nicht mehr als 20°, 15°, 10° bzw. 5° zu einer Flächenrichtung der Kammerwand verkippt (jener Flächenrichtung, mit der sie den kleinsten Winkel einschließt) . Dies kann eine besonders effiziente Ein¬ kopplung und Strahlungsführung auch über eine weite Strecke ermöglichen, insbesondere durch Totalreflexion.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform bildet die Kammerwand ein Rohrstück. Bezogen auf einen Umlauf um eine Rohrachse ist die Kammerwand dann in sich geschlossen (um das Kammerinnenvolumen) , in senkrecht zur Rohrachse lie- genden Schnittebene betrachtet kann sie eine Kreisform beschreiben, im Allgemeinen aber bspw. auch eine eckige Form haben, ggf. mit abgerundeten Kanten. Ein „Durchmes¬ ser" ist somit zunächst als Mittelwert aus kleinster und größter Erstreckung in einer zur Rohrachse senkrechten Schnittebene zu betrachten, der im bevorzugten Fall der Kreisgeometrie dem Kreisdurchmesser entspricht. Mögliche Innendurchmesser des Rohrstücks können bspw. bei mindestens 5 mm, 10 mm, 20 mm bzw. 30 mm liegen, und (davon un- abhängig) bei bspw. nicht mehr als 300 mm, 200 mm bzw. 100 mm.
Generell ist die als Rohrstück ausgebildete Kammerwand bevorzugt mit einem Fitting ausgestattet, über welches das Rohrstück mit einem weiteren Rohrstück zusammenbaubar ist. Das Fitting kann bspw. ein Steckfitting sein, in welches die Rohrstücke von einander entgegengesetzten Seiten her eingeschoben werden können. Es ist auch eine Kombination mit einer Arretierung möglich, bspw. durch außenseitiges Anschrauben eines Sicherungsrings nach dem Einschieben. Wie bereits erwähnt, kann die Strahlungs¬ quelle bevorzugt in dem Fitting angeordnet sein. Damit wird vorteilhafterweise ein aus Gründen der mechanischen Konstruktion ohnehin belegter Bereich zugleich für die Strahlungskopplung genutzt, was bspw. raumsparend sein kann. Es kann bspw. auch eine besonders effiziente Kombi¬ nation mit einer Sonnenlichtnutzung möglich sein, weil sich durch die zweifache Nutzung des Fittings abgeschat¬ tete Flächenanteile reduzieren lassen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine in das Kammerinnenvolumen abgegebene Kultivierungsstrahlung, die der Kultivierung der Mikroorganismen dient, zumindest an- teilig von einer Konversionsstrahlung gebildet. Diese wird dabei von einem Leuchtstoff emittiert, der an bzw. in der Kammerwand angeordnet ist. Die Strahlungsquelle emittiert eine Strahlung, bevorzugt ist dies die originär vom Halbleiterbauelement emittierte Primärstrahlung. Als Leuchtstoff zur Emission von grünem Licht kann bspw. ein Orthosilikat- oder bevorzugt Nitrido-Orthosilikat- Leuchtstoff vorgesehen sein, aber auch Lutetium- Aluminium-Granat (LuAG) ist möglich. „Leuchtstoff" kann auch eine Mischung unterschiedlicher Einzelleuchtstoffe bezeichnen .
In bevorzugter Ausgestaltung ist zumindest ein Teil des integrierten Leuchtstoffs in Form einer Schicht an der Kammerwandinnenfläche angeordnet, jedenfalls in einem Be- reich davon. Eine nur bereichsweise Beschichtung kann insbesondere mit einer komplementären Verspiegelung kombiniert sein, siehe vorne. Die mit Leuchtstoff beschich¬ tete Kammerwandinnenfläche kann bspw. die Innenfläche ei¬ ner „einfachen" Kammerwand aus einem durchgehenden Kam- merwandmaterial sein; der Leuchtstoff kann aber anderer¬ seits auch im Falle einer Kammerwand mit Hohlraum (siehe vorne) an der Kammerwandinnenfläche angeordnet sein.
Zur Aufbringung einer LeuchtstoffSchicht kann z. B. partikelförmiger Leuchtstoff in einer Suspension aufgebracht werden, wobei bspw. nach einem Abdampfen der Flüssigkomponente agglomerierte Leuchtstoffpartikel an der Oberflä¬ che verbleiben. Der Leuchtstoff kann aber bspw. auch in einem als Schicht aufgebrachten Matrixmaterial eingebet¬ tet vorliegen, wobei das Matrixmaterial dann an der Kam- merwandinnenfläche verbleibt (ein Matrixmaterial ist z. B. Silikon) . Generell kann der an der Kammerwandinnen- fläche angeordnete Leuchtstoff dann auch noch mit einer weiteren Schicht überzogen sein, die als Schutzschicht zum Kammerinnenvolumen hin dienen kann, bspw. einer Silikonschicht . Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest ein Teil des Leuchtstoffs in Partikelform in das Kammerwand¬ material eingebettet. Der Leuchtstoff kann bspw. bereits bei der Herstellung der Kammerwand bzw. eines Teils davon mit dem Kammerwandmaterial vermengt werden, bspw. mit flüssigem Glas. Bei einer Kammerwand aus Kunststoff kön¬ nen die Leuchtstoffpartikel ähnlich wie Farbpigmente zu¬ gesetzt werden, also während eines formgebenden Verfahrens (Spritzgießen, Extrudieren etc.) . Es kann bspw. die Kammerwand im Gesamten mit LeuchtstoffPartikeln versetzt sein; andererseits kann im Falle der mehrteiligen Kammerwand mit Hohlraum der Leuchtstoff auch nur in einen Teil davon eingebettet sein, bspw. in das innere Rohrteil.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind Leiterbahnen, mit denen die Strahlungsquelle elektrisch leitend verbun- den ist, integral vorgesehen. Die Leiterbahnen können bspw. auf das Kammerwandmaterial aufgebracht oder auch eingebettet sein, etwa als Einlegeteile beim Spritzgießen umspritzt werden. Es können bspw. Kupferdrähte als Lei¬ terbahnen eingeformt sein. Auch im Falle der aufgebrach- ten Leiterbahn können metallische Materialien, wie bspw. Aluminium, Kupfer oder Silber bzw. auch Legierungen, bevorzugt sein. Das Aufbringen kann bspw. ein Aufdampfen sein. Es kann aber bspw. auch eine leitfähige Tinte, ins¬ besondere eine Paste aufgebracht werden, bspw. aufgestri- chen, aufgesprüht oder aufgedruckt. Ein Beispiel ist eine Silberpaste. Die Leiterbahn kann aber auch aus einem transparenten bzw. transluzenten Material vorgesehen sein, hier kommen bspw. Oxide oder Polymere infrage, ein Beispiel ist Indiumzinnoxid (ITO). Auch kohlenstoffba¬ sierte Leiterbahnen sind möglich, insbesondere ist eine Verdrahtung mit Kohlenstoffnanoröhrchen denkbar.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kammer eine optische Sensoreinheit auf, bspw. mit einer Photodi¬ ode oder auch einem CCD-Array. Die Sensoreinheit ist be¬ vorzugt zur Erfassung von Umgebungslicht eingerichtet, insbesondere Sonnenlicht. Dazu kann eine aktive Sensor¬ fläche (die darauf fallende Strahlung wird in ein Mess¬ signal umgesetzt) bspw. dem Kammerinnenvolumen abgewandt sein. Bezogen auf eine Montageposition der Kammerwand ist die Sensoreinheit bevorzugt oberseitig angeordnet (Ein- fall von Sonnenlicht) . Insgesamt können auch mehrere Sen¬ soreinheiten vorgesehen sein, etwa im Falle des Rohrstücks entlang der Rohrachse verteilt und/oder umlaufend um diese (nicht zwingend vollständig) . Die Sensorein¬ heit (en) kann bzw. können bspw. auch analog der Strah- lungsquelle in das Kammerwandmaterial eingeformt sein. Auch bzgl. der Möglichkeiten zur Verdrahtung wird auf die vorstehenden Angaben verwiesen.
Bevorzugt weist die Kammer auch eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Strahlungsquelle auf, besonders bevorzugt ist diese mit der Sensoreinheit wirkverbunden. Dabei kön¬ nen eine Logik der Sensoreinheit (Auswertung des Sensorsignals) und eine Logik der Steuereinheit auch integriert ausgeführt sein, es sind aber auch gesonderte Bausteine möglich. Bevorzugt ist die Steuereinheit zur Ansteuerung der Strahlungsquelle in Abhängigkeit von dem mit der Sen¬ soreinheit erfassten Umgebungslicht eingerichtet. Die Strahlungsquelle kann bspw. vollständig ausgeschaltet bleiben, solange die Sensoreinheit hinreichend Umgebungs¬ licht detektiert. Wird ein Schwellwert unterschritten, kann die Strahlungsquelle zugeschaltet werden, also bspw. nachts oder auch in Abhängigkeit von der Wetterlage (Wol¬ kenbedeckung etc.). Die Zuschaltung muss nicht zwingend digital erfolgen, die Intensität kann auch stufenweise oder auch schrittweise angepasst werden.
Die Erfindung betrifft auch einen Photobioreaktor mit ei- ner vorliegend offenbarten Kammer. Der Photobioreaktor kann bspw. eine C02-Versorgung des Kammerinnenvolumens und/oder Mittel zur NährstoffVersorgung bzw. auch zur Überwachung des Kultivierungsgemischs aufweisen. Ferner kann bspw. auch eine Umwälzpumpe vorgesehen sein. Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung, insbesondere einer vorliegend offenbarten Kammer bzw. eines entsprechenden Photobioreaktors, zur Kultivierung von Mikroorga¬ nismen. Dabei ist in dem Kammerinnenvolumen ein Kultivierungsgemisch, insbesondere eine Kultivierungssuspension angeordnet, und wird mit einer Strahlungsquelle be¬ strahlt. Diese ist in direktem optischen Kontakt mit dem Kultivierungsgemisch vorgesehen, die Strahlung wird also direkt in dieses eingekoppelt. Es wird auf die vorstehen¬ de Definition von „direktem optischen Kontakt" verwiesen, das „Zwischenmaterial" kann bspw. das Kammerwandmaterial sein; andererseits kann die Emissionsfläche der Strah¬ lungsquelle aber auch direkt an das Kultivierungsgemisch / die Kultivierungssuspension grenzen. Auch bezüglich der Vorteile wird auf die Darstellung eingangs verwiesen, die direkte Einkopplung (kein optisch wirksames Luftvolumen dazwischen) ist effizient und kann eine homogene Bestrah¬ lung ermöglichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs¬ beispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können; dies gilt insbesondere für die in den Figuren gezeigten Merkmale (was nachstehend auch teils diskutiert wird) .
Im Einzelnen zeigt Figur 1 eine erfindungsgemäße Kammer für einen Photobio¬ reaktor in schematischer Darstellung in einer geschnittenen Schrägansicht;
Figur 2 eine erste Möglichkeit zur Bestrahlung eines
Kammerinnenvolumens der Kammer gemäß Figur 1; Figur 3 eine zweite Möglichkeit zur Bestrahlung eines
Kammerinnenvolumens der Kammer gemäß Figur 1;
Figur 4 eine dritte Möglichkeit zur Bestrahlung eines
Kammerinnenvolumens der Kammer gemäß Figur 1;
Figur 5 in einem schematischen Längsschnitt eine seitli- che Einkopplung von Strahlung in eine Kammerwand, ebenfalls zur Bestrahlung des Kammerinnenvolumens ;
Figur 6 eine weitere Möglichkeit zur seitlichen Einkopp- lung von Strahlung in eine Kammerwand, wiederum in einem schematischen Längsschnitt; Figur 7 eine Kammerwand mit Hohlraum zur seitlichen Führung der Strahlung durch Totalreflexion, wiederum in einem schematischen Längsschnitt;
Figur 8 ebenfalls zur seitlichen Strahlungsführung in der Kammerwand eine der Kammerwandaußenfläche zugeordnete Verspiegelung, wiederum in einem schematischen Längsschnitt;
Figur 9 eine Kombination aus Verspiegelung der Kammerwandaußenfläche und Leuchtstoffbeschichtung der Kammerwandinnenfläche, wiederum in einem schema¬ tischen Längsschnitt.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Kammer 1 für einen Photobioreaktor mit einer Kammerwand 2, die ein Kammerinnenvolumen 3 begrenzt. In dieses Kammerinnenvolumen 3 wird im Betrieb des Photobioreaktors eine Kultivierungssuspension zur Herstellung von Mikroorganismen eingebracht, bspw. zur Produktion von Algen. Die Kammerwand 2 ist vorliegend aus Glas vorgesehen. An der Kammerwand 2 sind in direktem optischen Kontakt damit eine Mehrzahl Strahlungsquellen 4, nämlich LEDs angeordnet (im Folgenden wird der Einfachheit halber wiederum vorrangig von „der" Strahlungsquelle gesprochen) .
Aufgrund des direkten optischen Kontakts gelangt die Strahlung im Wesentlichen brechungsfrei in die Kammerwand 2 und von dort ebenfalls ohne maßgebliche Brechung in das Kammerinnenvolumen (Übergang Glas/Wasser) . Es ist eine zumindest verlustreduzierte und zugleich homogene Be- Strahlung des Kammerinnenvolumens 3 möglich, zudem erlaubt die Integration der Strahlungsquelle 4 einen insge¬ samt kompakten Aufbau, es wird ausdrücklich auch auf die Vorteilsangaben in der Beschreibungseinleitung verwiesen. Die Strahlungsquellen 4 sind über Leiterbahnen 5 elektrisch angeschlossen. Diese können auf eine dem Kammerinnenvolumen 3 abgewandte Kammerwandaußenfläche 6 auf¬ gebracht, oder bspw. auch in das Glas eingeformt sein (vgl. auch die Beschreibungseinleitung). Die Kammer weist ferner Sensoreinheiten 7 auf, vorliegend Photodioden. Auch diese sind über auf die Kammerwandau¬ ßenfläche 6 aufgebrachte Leiterbahnen 8 elektrisch ange¬ schlossen. Mit den Sensoreinheiten 7, die in einem oberen Bereich der Kammer 1 angeordnet sind, kann der Sonnen- lichteinfall überwacht werden. Die Bestrahlung mit den Strahlungsquellen 4 kann dann in Abhängigkeit davon geregelt werden, bspw. nur nachts zugeschaltet sein. Wie nachstehend im Einzelnen deutlich wird, sind aber auch gänzlich sonnenlichtunabhängige Systeme möglich. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 1 sind die Strahlungsquellen 4 für eine gleichmäßige Bestrahlung des Kammerinnenvolumens 3 entlang der Rohrachse 9 und umlaufend verteilt (insbesondere äquidistant) . Die Figuren 2 bis 4 zeigen nun jeweils in einem zur Rohrachse 9 senkrechten Schnitt unterschiedliche Möglichkeiten, wie die Bestrah¬ lung des Kammerinnenvolumens 3 im Einzelnen umgesetzt werden kann.
Bei sämtlichen Varianten gemäß den Figuren 2 bis 4 wird die Kammerwand 2 durchstrahlt, ist also die Strahlungs- quelle 4 in einem Emissionsbereich der Kammerwand 2 ange- ordnet, in dem an einer dem Kammerinnenvolumen 3 zugewandten Kammerwandinnenfläche 10 Strahlung in das Kamme¬ rinnenvolumen 3 abgegeben wird. Die Strahlung, die letztlich auf die Kultivierungssuspension einwirkt, wird auch als Kultivierungsstrahlung bezeichnet. Bei der Variante gemäß Figur 2 emittiert die Strahlungsquelle 4 selbst die Kultivierungsstrahlung. Dabei handelt es sich vorliegend um die originär von dem Halbleiterbauelement emittierte Primärstrahlung 31, die Strahlungsquelle 4 kann aber auch konvertierend bzw. teilkonvertierend ausgestaltet sein, vgl. auch die Beschreibungseinleitung. Bei den Varianten gemäß den Figuren 3 und 4 ist im Unterschied dazu ein Leuchtstoff zur Wellenlängenkonversion an bzw. in die Kammerwand 2 integriert. Dazu ist bei der Variante gemäß Figur 3 an der Kammer¬ wandinnenfläche 10 eine Schicht 30 des Leuchtstoffs auf¬ gebracht (z. B. agglomerierte Leuchtstoffpartikel oder auch Leuchtstoffpartikel in einem Matrixmaterial, vgl. die Beschreibungseinleitung) . Die Strahlungsquelle 4 emittiert die Primärstrahlung 31, vorliegend blaues Licht. Diese wird in der Schicht 30 wellenlängenkonver¬ tiert, es resultiert eine Konversionsstrahlung 32 länge¬ rer Wellenlänge (vorliegend grünes Licht) . Dabei ist ins¬ besondere auch ein Betrieb in Teilkonversion möglich, die Kultivierungsstrahlung kann sich also aus Konversionsstrahlung 32 und anteilig nicht konvertierter Primärstrahlung 31 zusammensetzen.
Bei der Variante gemäß Figur 4 ist der Leuchtstoff in die Kammerwand 2 eingebettet. Dazu sind die Leuchtstoffparti- kel 40 in das Glas eingeformt, also in diesem als Matrix gehalten. Beim Durchstrahlen der Kammerwand 2 wird die Primärstrahlung 31 sukzessive in die Konversionsstrahlung 32 umgesetzt (vollständig oder auch nur zum Teil) . Bei der Variante gemäß Figur 4 ist die Strahlungsquelle 4 nachträglich auf die Kammerwand 2 aufgesetzt, es kann bspw. ein Klebstoff (nicht dargestellt) zugleich als Im¬ mersionsmaterial dienen und den direkten optischen Kontakt vermitteln.
Bei den Varianten gemäß den Figuren 2 und 3 ist die Strahlungsquelle 4 im Unterschied dazu in die Kammerwand 2 eingeformt. Sie ist entsprechend ein Stück weit nach radial innen versetzt, die Kammerwandaußenfläche 6 springt lokal nach innen.
Figur 5 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Einkopplung der Strahlung in die rohrförmige Kammerwand 2. Darge- stellt ist ein schematischer Schnitt, wobei die Rohrachse
9 in der Schnittebene liegt. Die Strahlungsquelle 4 ist nicht in einem Emissionsbereich 50 angeordnet, in welchem an der Kammerwandinnenfläche 10 Strahlung in das Kamme¬ rinnenvolumen 3 abgegeben wird, sondern seitlich außer- halb davon. Konkret ist die Strahlungsquelle 4 an einer Kammerwandseitenfläche 51 angeordnet, die sich zwischen der Kammerwandaußenfläche 6 und der Kammerwandinnenfläche
10 erstreckt. Die Strahlung wird mit einer Einstrahlrichtung 52 als Hauptrichtung eingekoppelt, die mit einer Flächenrichtung 53 der Kammerwand 2 zusammenfällt (die Flächenrichtung 53 liegt senkrecht zur Dickenrichtung 54) .
Bei der Variante gemäß Figur 5 ist an der Kammerwandau¬ ßenfläche 6 eine Verspiegelung 55 angeordnet, vorliegend durchgehend als direkt darauf abgeschiedener Metallfilm. Die Kammerwandaußenfläche 6 könnte aber auch unverspie- gelt sein, die Strahlung kann also durch Totalreflexion seitlich geführt werden (Übergang Glas/Umgebungsluft) , vgl . Figur 7. Auch an der Kammerwandinnenfläche 10 ist eine Vorspiege¬ lung 56 angeordnet, wobei deren Flächenanteil in Ein¬ strahlrichtung, von der Strahlungsquelle 4 weg abnimmt. Unterbrechungen 57 der Verspiegelung 56 werden entsprechend zunehmend größer. Im Ergebnis wird von der in der Kammerwand 2 geführten Strahlung im Verhältnis zunächst weniger und dann zunehmend mehr Strahlung durch die Unterbrechungen 57 in das Kammerinnenvolumen 3 abgegeben.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 5 emittiert die Strahlungsquelle 4 die Kultivierungsstrahlung, ist an o- der in der Kammerwand 2 selbst also kein Leuchtstoff vor¬ gesehen. Alternativ könnten aber bspw. auch die Unterbrechungen 57 mit Leuchtstoff gefüllt sein, könnte dieser also analog Figur 3 an der Kammerwandinnenfläche 10, da¬ bei aber lediglich in den Unterbrechungen 57 angeordnet sein. Ebenso könnte in die Kammerwand 2 Leuchtstoff ein¬ gebettet sein, analog der Variante gemäß Figur 4.
In Figur 5 ist ferner ein Fitting 60 zu erkennen, über welches die als Rohrstück geformte Kammerwand 2 mit einem weiteren Rohrstück zusammengesteckt ist. Insgesamt kann der Photobioreaktor dann aus einer Vielzahl derartiger Rohrstücke zusammengesetzt sein, die sich dann bspw. schleifen- bzw. mäanderförmig etc. erstrecken. Die Strahlungsquelle 4 kann bevorzugt in das Fitting integriert sein, dann also bspw. erst mit dem Einschieben der Kam- merwand 2 in den direkten optischen Kontakt mit der Kammerwandseitenfläche 51 gelangen.
Figur 6 zeigt auch eine Einkopplung außerhalb des Emissi¬ onsbereichs 50, in welchen die Strahlung seitlich hinein- geführt wird. Die Strahlungsquelle 4 ist dabei zwar au¬ ßerhalb des Emissionsbereichs 50, aber gleichwohl an der Kammerwandaußenfläche 6 angeordnet, nämlich in einem Ein¬ koppelbereich 65. In diesem gelangt keine Strahlung über die Kammerwandinnenfläche 10 in das Kammerinnenvolumen 3, vorliegend ist dort eine Verspiegelung 56 vorgesehen.
Bei den Varianten gemäß den Figuren 7 bis 9 ist eine Einkopplung analog Figur 5 gezeigt, ebenso könnte aber ana¬ log Figur 6 eingekoppelt werden, auch eine Kombination der beiden Varianten ist möglich. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 7 weist die Kammerwand 2 in einen radial äußeren Teil 2a und einen radial inneren Teil 2b auf. Die beiden Teile 2a, b sind über ei¬ nen Hohlraum 70 zueinander beabstandet, der vorliegend mit Luft gefüllt ist. Dadurch ist innerhalb der Kammer- wand 2 eine Grenzfläche 71 ausgebildet, an welcher die Strahlung durch Totalreflexion geführt wird. Die Strahlung wird in das radial äußere Teil 2a eingekoppelt und ist darin über Totalreflexion an der Grenzfläche 71 und der Kammerwandaußenfläche 6 geführt. An der Grenzfläche 71 sind Auskoppelstrukturen 72 vorgesehen, an welchen die Strahlung gestreut und dementspre¬ chend zumindest anteilig auch in Richtung des Kammerin¬ nenvolumens 3 gebracht wird. Emittiert die Strahlungs¬ quelle 4 wie vorliegend originär die Kultivierungsstrah- lung, können die Auskoppelstrukturen 72 bspw. angeraute Oberflächenbereiche sein. Alternativ könnte die Strah¬ lungsquelle 4 auch Primärstrahlung emittieren, die dann von als Auskoppelstrukturen 72 vorgesehenen Leuchtstoffinseln konvertiert werden könnte (nicht dargestellt) . Ferner könnte die Strahlungsquelle 4 auch Primärstrahlung emittieren, die über streuende Auskoppelstrukturen 72 durch den Hohlraum 70 ausgekoppelt und erst dann (antei¬ lig) konvertiert wird, bspw. mit einem in das radial in¬ nere Teil 2b eingebetteten Leuchtstoff und/oder einer an der Kammerwandinnenfläche 10 angeordneten Leuchtstoff¬ schicht 30.
Bei der Variante gemäß Figur 8 ist der Kammerwandaußenfläche 6 eine Verspiegelung 55 zugeordnet, die in diesem Fall allerdings nicht direkt an die Kammerwandaußenfläche 6 grenzt. Dazwischen ist ein Hohlraum 80 vorgesehen, vorliegend mit Luft gefüllt. Dementsprechend ist die Strah¬ lung an der Kammerwandaußenfläche 6 zunächst durch Total¬ reflexion geführt. Die Verspiegelung 55 kann dann aber bspw. unter Winkeln außerhalb des Totalreflexionswinkels auftreffende Strahlung zurück in Richtung Kammerinnenvo¬ lumen 3 reflektieren. Diese Kombination kann von Interesse sein, weil die Strahlungsführung durch Totalreflexion an sich sehr effizient ist, aber eben winkelabhängig.
Die Kammerwandinnenfläche 10 ist bereichsweise mit einer Verspiegelung 56 und in deren Unterbrechungen komplementär dazu mit einer LeuchtstoffSchicht 30 versehen. Die Strahlungsquelle 4 emittiert Primärstrahlung 31, die von der LeuchtstoffSchicht 30 dann (anteilig) in die Konver¬ sionsstrahlung 32 umgesetzt wird. Alternativ könnte die Strahlungsquelle 4 aber bspw. auch direkt die Kultivie¬ rungsstrahlung emittieren und könnte an der Kammerwandin- nenfläche 10 lediglich die Verspiegelung 56 angeordnet sein .
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 9 ist der Kammerwandaußenfläche 6 ebenfalls eine Verspiegelung 55 zugeordnet, jedoch im Unterschied zu Figur 8 direkt daran grenzend. Auch in diesem Fall ist die von Strahlungsquelle 4 emit¬ tierte Strahlung Primärstrahlung 31, die von einer Schicht 30 des Leuchtstoffs an der Kammerwandinnenfläche 10 (anteilig) in Konversionsstrahlung 32 konvertiert wird. Alternativ oder zusätzlich könnte der Leuchtstoff auch in die Kammerwand 2 eingebettet sein, vgl. Figur 4 zur Illustration.
BEZUGSZEICHENLISTE
Kammer 1
Kammerwand 2 radial äußerer Teil 2a radial innerer Teil 2b
Kammerinnenvolumen 3
Strahlungsquellen 4 Leiterbahnen (Kontaktierung Strahlungsquellen) 5
Kammerwandaußenfläche 6 Sensoreinheiten 7
Leiterbahnen (Kontaktierung Sensoreinheiten) 8
Rohrachse 9
Kammerwandinnenfläche 10
LeuchtstoffSchicht 30 Primärstrahlung 31
Konversionsstrahlung 32
Leuchtstoffpartikel 40
Emissionsbereich 50
Kammerwandseitenfläche 51 Einstrahlrichtung 52 Flächenrichtungen 53
Dickenrichtung 54
Verspiegelung (Kammerwandaußenfläche) 55
Verspiegelung (Kammerwandinnenfläche) 56 Unterbrechungen (der Verspiegelung) 57
Fitting 60
Einkoppelbereich 65
Hohlraum (in der Kammerwand) 70
Grenzfläche 71 Auskoppelstrukturen 72 Hohlraum (zwischen Kammerwandaußenfläche
und Verspiegelung) 80

Claims

ANSPRUCHE
Kammer (1) für einen Photobioreaktor, mit
einer Kammerwand (2) aus einem zumindest transluzen- ten Kammerwandmaterial, welche Kammerwand (2) ein Kammerinnenvolumen (3) zur Aufnahme eines Kultivie- rungsgemischs für Mikroorganismen begrenzt, und zumindest einer optoelektronischen Strahlungsquelle (4) zur elektromagnetischen Bestrahlung des Kammerinnenvolumens (3) durch die Kammerwand (2),
wobei die zumindest eine Strahlungsquelle (4) in di¬ rektem optischen Kontakt mit der Kammerwand (2) vorgesehen ist.
2. Kammer (1) nach Anspruch 1, bei welcher mindestens eine der zumindest einen Strahlungsquelle (4) gemäß
Anspruch 1 an einer dem Kammerinnenvolumen (3) abgewandten Kammerwandaußenfläche (6) angeordnet ist, und zwar in einem Emissionsbereich (50) der Kammerwand (2), in dem an einer der Kammerwandaußenfläche (6) entgegengesetzten Kammerwandinnenfläche (10)
Strahlung in das Kammerinnenvolumen (3) abgegeben wird .
3. Kammer (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher min- destens eine der zumindest einen Strahlungsquelle
(4) gemäß Anspruch 1 bezogen auf Flächenrichtungen (53) der Kammerwand (2) außerhalb eines Emissionsbe¬ reichs (50), in dem an einer dem Kammerinnenvolumen (3) zugewandten Kammerwandinnenfläche (10) Strahlung in das Kammerinnenvolumen (3) abgegeben wird, angeordnet ist und seitlich, also in Flächenrichtungen (53) der Kammerwand (2), in den Emissionsbereich (50) hineinstrahlt.
Kammer (1) nach Anspruch 3, bei welcher die dem Kammerinnenvolumen (3) zugewandte Kammerwandinnenfläche (10) zur seitlichen Führung der Strahlung der mindestens einen Strahlungsquelle (4) gemäß Anspruch 3 bereichsweise verspiegelt (56) ist, vorzugsweise mit einem in Einstrahlrichtung (52) abnehmenden Flächenanteil der Verspiegelung (56) .
Kammer (1) nach Anspruch 3 oder 4, bei welcher innerhalb der Kammerwand (2) ein Hohlraum (70) ange¬ ordnet ist, der sich in den Flächenrichtungen (53) der Kammerwand (2) erstreckt, womit innerhalb der Kammerwand (2) eine Grenzfläche (71) zu dem zumin¬ dest transluzenten Kammerwandmaterial gebildet ist, an welcher Grenzfläche (71) die Strahlung der mindestens einen Strahlungsquelle (4) gemäß Anspruch 3 durch Totalreflexion seitlich geführt ist.
Kammer (1) nach Anspruch 5, bei welcher an der Grenzfläche (71) Auskoppelstrukturen (72) zur Strahlungsauskopplung in Richtung der Kammerwandinnenfläche (10) angeordnet sind, vorzugsweise mit einem in Einstrahlrichtung (52) zunehmenden Flächenanteil der Auskoppelstrukturen (72).
Kammer (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, be welcher die mindestens eine Strahlungsquelle (4) ge mäß Anspruch 3 an der Kammerwandinnenfläche (10) o der an einer zu dieser entgegengesetzten Kammerwand außenfläche (6) angeordnet ist, und zwar in einem Einkoppelbereich (65) der Kammerwand (2), der seitlich an den Emissionsbereich (50) anschließt und in dem an der Kammerwandinnenfläche (10) keine Strah- lung in das Kammerinnenvolumen (3) abgegeben wird.
Kammer (1) nach Anspruch 2 oder 7, bei welcher die mindestens eine an der Kammerwandinnenfläche (10) oder der Kammerwandaußenfläche (6) angeordnete Strahlungsquelle (4) zumindest teilweise in die Kam¬ merwand (2) eingebettet ist, und entsprechend die Kammerwandinnenfläche (10) oder die Kammerwandaußen¬ fläche (6) dort also lokal eine Vertiefung bildet.
Kammer (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei welcher die mindestens eine Strahlungsquelle (4) ge¬ mäß Anspruch 3 an einer Kammerwandseitenfläche (51) angeordnet ist, welche Kammerwandseitenfläche (51) sich zwischen der Kammerwandinnenfläche (10) und ei¬ ner zu dieser entgegengesetzten Kammerwandaußenfläche (6) erstreckt.
Kammer (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Kammerwand (2) ein Rohrstück bildet, wobei die Kammer (1) ein Fitting (60) aufweist, über welches die als Rohrstück ausgebildete Kammerwand mit einer weiteren als Rohrstück ausgebildeten Kammerwand verbindbar ist, wobei bevorzugt mindestens eine der zumindest einen Strahlungsquelle (4) gemäß Anspruch 1 in dem Fitting (60) angeordnet ist. Kammer (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher einer dem Kammerinnenvolumen (3) abgewandten Kammerwandaußenfläche (6) eine Verspiegelung (55) zugeordnet ist, um eine seitliche Führung von Strahlung in der Kammerwand (2) zumindest zu unterstützen .
Kammer (1) nach Anspruch 11, insbesondere in Verbindung mit einem der Ansprüche 3 bis 7, bei welcher zwischen der Verspiegelung (55) und der Kammerwandaußenfläche (6) ein Hohlraum (80) angeordnet ist, der sich in den Flächenrichtungen (53) der Kammerwand (2) erstreckt, sodass die Strahlung in der Kam¬ merwand (2) auch durch Totalreflexion an der Kammerwandaußenfläche (6) seitlich geführt ist.
Kammer (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher mindestens eine der zumindest einen Strahlungsquelle (4) gemäß Anspruch 1 zur Emission einer Primärstrahlung (31) ausgelegt, wobei eine Kultivierungsstrahlung zur Bestrahlung des Kammerinnenvolumens (3) zumindest anteilig von einer Konver¬ sionsstrahlung (32) gebildet wird, welche ein Leuchtstoff auf eine Anregung mit der Primärstrahlung (31) hin emittiert.
Kammer (1) nach Anspruch 13, bei welcher zumindest ein Teil des Leuchtstoffs in Form einer Schicht (30) an einer dem Kammerinnenvolumen (3) zugewandten Kammerwandinnenfläche (10) vorgesehen ist, jedenfalls in einem Bereich davon. Kammer (1) nach Anspruch 13 oder 14, bei welcher zumindest ein Teil des Leuchtstoffs innerhalb der Kam¬ merwand (2) angeordnet ist, insbesondere in Parti¬ kelform in das Kammerwandmaterial eingebettet ist.
Kammer (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher Leiterbahnen (5) , mit welchen die zumindest eine Strahlungsquelle (4) gemäß Anspruch 1 elektrisch leitend verbunden ist, auf das Kammerwandmaterial aufgebracht oder in das Kammerwandmate¬ rial eingebettet sind.
Kammer (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer optischen Sensoreinheit (7), die zur Erfassung eines Umgebungslichts eingerichtet ist, und mit ei¬ ner Steuereinheit, die zur Ansteuerung der zumindest einen Strahlungsquelle (4) gemäß Anspruch 1 einge¬ richtet ist, vorzugsweise in Abhängigkeit von der Erfassung des Umgebungslichts mit der Sensoreinheit (7) .
Photobioreaktor mit einer Kammer (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verwendung einer Kammer (1) zur Kultivierung von Mikroorganismen, wobei in einem Kammerinnenvolumen (3) ein Kultivierungsgemisch für die Mikroorganismen angeordnet ist, das mit zumindest einer optoelektro¬ nischen Strahlungsquelle (4) elektromagnetisch bestrahlt wird, welche zumindest eine optoelektroni¬ sche Strahlungsquelle (4) in direktem optischen Kontakt mit dem Kultivierungsgemisch vorgesehen ist.
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