EMMINGER, Franz (Steinerweg 2, Hainburg, A-2410, AT)
EMMINGER, Franz (Steinerweg 2, Hainburg, A-2410, AT)
Patentansprüche:
1. Verfahren für einen photochemischen, wie photokatalytischen und/oder photosynthetischen Prozess, insbesondere für eine Zucht und Produktion bzw. Hydrokultivierung von, vorzugsweise phototrophen, Mikroorganismen, wobei ein Reaktionsmedium, beispielsweise eine wässerige Lösung oder eine Suspension, mäanderförmig in einem Reaktor geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die mäanderförmige Führung des Reaktionsmedium
(6) senkrecht oder in einem Winkel geneigt mindestens einmal von oben nach unten bzw. in Richtung Schwerkraft und von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft, erfolgt und dass sowohl eine Einbringung als auch eine Ausbringung des Reaktionsmediums (6) in bzw. aus dem Reaktor, vorzugsweise kontinuierlich, drucklos und frei zur
Atmosphäre über die obere Reaktionsmediums-Oberfläche erfolgt, wobei auf Grund des hydrostatischen Druck- und Niveauausgleich eine für die Mikroorganismen stressfreie Strömung des Reaktionsmediums (6) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine, kontinuierliche oder chargenweise, Einbringung von flüssigen und/oder gasförmigen Zusatzstoffen (12), wie beispielsweise Nährstofflösungen und/oder Oxidationsmittel und/oder Wirksubstanzen und/oder den Prozess fördernde gelöste Stoffe, vorzugsweise während des Prozesses, vorzugsweise an der Unterseite, im Bereich der Umlenkung des Reaktionsmediums (6), durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Einbringung der Zusatzstoffe (12) am unteren Ende der Flüssigkeitssäule eine Durchmischung und gleichmäßige Verteilung der Zusatzstoffe (12) im Reaktionsmedium (6) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einbringbaren Zusatzstoffe (12) mit einer definierten Temperatur eingebracht werden.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen bzw. Zusatzstoffen (12) an der Unterseite im Bereich der Umlenkung des Reaktionsmediums (6) durchgeführt wird, wobei im Bereich des von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums (6) eine größere Menge von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen bzw. Zusatzstoffen (12) eingebracht wird als im Bereich des von oben nach unten bzw. in Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums (6).
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten, wie beispielsweise Sauerstoff, vorzugsweise während des Prozesses, über die Reaktionsmediums-Oberfläche erfolgt.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor entsprechend der Sonneneinstrahlung über den gesamten Bogen des horizontalen Sonnenverlaufes drehbar geführt oder gesteuert wird.
8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Reaktor, insbesondere ein Bioreaktor, bestehend aus Röhren vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor aus mindestens einem Reaktorelement (2) besteht, das aus zwei aufrechten, unten verbundenen Röhren (3) gebildet ist und dass sowohl ein Einlass (4) als auch ein Auslass (5) am oberen Reaktorrand vorgesehen ist.
9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Reaktor, insbesondere ein Bioreaktor, mit Elementen aus Steg- bzw. Stegmehrfachplatten vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor aus mindestens einem Reaktorelement (2) besteht, das aus zwei, vorzugsweise rechteckigen, aufrechten, aus den Steg- bzw. Steg mehrfach platten (7) gebildeten Kammern (8), die durch eine Trennwand (9), die am Boden offen ist, gebildet ist und dass sowohl ein
Einlass (4) als auch ein Auslass (5) am oberen Reaktorrand vorgesehen ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verbindung zu einem Reaktorpanel (18) von zwei oder mehr Reaktorelementen (2) deren Trennwand (10) niedriger als die Trennwand
(9) zwischen den Röhren (3) bzw. Kammern (8) eines Reaktorelementes (2) ausgebildet ist, wodurch ein überlauf bzw. eine kommunizierende öffnung entsteht, wenn der Flüssigkeitsstand in den Reaktorelementen (2) höher als die Trennwand (10) zwischen den Reaktorelementen (2) ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die, vorzugsweise serienmäßig miteinander verbundenen, Reaktorpanele (18) in einer rahmenartigen Aufnahmeeinrichtung (25) parallel zueinander, vorzugsweise fest montiert, zu einem Reaktor angeordnet sind und der Reaktor über mindestens eine, vorzugsweise vertikale, Achse (26) mit einer
Dreheinrichtung zur Lichteinstrahlung verstellbar ist, wobei der Reaktor insbesondere stehend, hängend oder schwimmend auf einem Auftriebskörper vorgesehen ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zur
Erfassung des Sonnenverlaufes ein Sensor vorgesehen ist, über den die Steuerung der Drehbewegung für die Lichteinstrahlung für den Reaktor erfolgt.
13. Einrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Lichteinstrahlung für den Reaktor über eine künstliche Beleuchtung erfolgt.
14. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einer aus mehreren Reaktoren bestehenden Anlage die Drehbewegungen für die Lichteinstrahlung, vorzugsweise für alle Reaktoren, synchronisiert sind.
15. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens Teile, insbesondere Außenflächen, der Reaktorpanele (18) und/oder des Reaktors Licht reflektierend ausgeführt sind.
16. Einrichtung nach einem oder mehreren der Anspruch 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass für die, kontinuierliche oder chargenweise, Einbringung von Zusatzstoffen (12), wie beispielsweise Nährstofflösungen bzw. -gasen und/oder Oxidationsmittel und/oder Wirksubstanzen und/oder den Prozess fördernde gelöste Stoffe bzw. Gase, vorzugsweise während des Prozesses, an der Reaktorunterseite, im Bereich der Umlenkung des Reaktionsmediums, mindestens ein Einbringungseinlass (11) vorgesehen ist.
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur
Einbringung von Zusatzstoffen im Bereich der Umlenkung im Reaktorelement (2) und/oder im Reaktorpanel (18) Bohrungen (20) für die Anordnung eines, vorzugsweise durchgehenden, Rohres, insbesondere eines Gasrohres (21) mit Mikrobohrungen (22), vorgesehen sind.
18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasrohr (21) im Bereich des von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums (6) eine größere Anzahl und/oder einen größeren Durchmesser aufweisende Mikrobohrungen als im Bereich des von oben nach unten bzw. in Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums (6) aufweist.
19. Einrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasrohr (21 ) an beiden Enden ein Außen- und/oder ein Innengewinde (23) aufweist.
20. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten, wie beispielsweise Sauerstoff, vorzugsweise während des Prozesses, ein Ausbringungsauslass (16) vorgesehen ist, der über der Reaktionsmediums- Oberfläche bzw. über der Oberseite der Reaktorelemente (2) vorgesehen ist.
21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten eine über der Reaktionsmediums-Oberfläche bzw. über der Oberseite der Reaktorelemente vorgesehene Sammeleinrichtung (17) mit einem
Ausbringungsauslass (16) vorgesehen ist.
22. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einlass (4) und/oder nach dem Auslass (5) ein Sifon (15) vorgesehen ist.
23. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zum Transport des Reaktionsmediums (6) sowohl innerhalb des Reaktors als auch zwischen Reaktoren eine Archimedische Schraube (14) oder eine Spirale nach Da Vinci vorgesehen ist. |
Verfahren und Einrichtung für einen photochemischen Prozess
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für einen photochemischen, wie photokatalytischen und/oder photosynthetischen Prozess, insbesondere für eine Zucht und Produktion bzw. Hydrokultivierung von, vorzugsweise phototrophen, Mikroorganismen, wobei ein Reaktionsmedium, beispielsweise eine wässerige Lösung oder eine Suspension, mäanderförmig in einem Reaktor geführt wird. Ferner betrifft die Erfindung auch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der DE 41 34 813 A1 ist ein Bioreaktor für phototrophe Mikroorganismen, welcher aus Glas oder Kunststoff besteht, bekannt. Das Kulturmedium wird entweder durch den Bioreaktor gepumpt oder mäanderförmig durch die waagrecht angeordneten Stegplatten nach unten geleitet. Weiters sind Turbulenz erzeugende Mittel in den Stegen angebracht. Entsprechend diesem Verfahren wird Kohlenstoffdioxid oben eingeleitet und zum Betrieb wird natürliches oder Kunstlicht verwendet. Der Bioreaktor wird in rechtem Winkel zur Lichtquelle gestellt bzw. nachgeführt.
Weiters sind auch aus der GB 2 235 210 A und der DE 196 44 992 C1 Bioreaktoren für phototrophe Mikroorganismen bzw. für photokatalytische Prozesse bekannt.
Aus der EP 738 686 A1 ist die photokatalytische Abwasserreinigung in einem Bioreaktor, wo die zu reinigende Flüssigkeit durch Stegmehrfachplatten aus transparentem Kunststoff geleitet wird, bekannt. Für die Regulierung der Temperatur können transluzente handelsübliche Mehrfachstegplatten Verwendung finden.
Ferner ist in der WO 98/18903 ein aktiv oder passiv temperierbares Solarelement aus Mehrfachstegplatten mit mindestens drei Gurten beschrieben. Schichten
innerhalb des Reaktors werden wechselweise für einen photochemischen bzw. photosynthetischen Prozess genutzt. Dabei wird in einem geschlossenen Reaktor mit abgedichteter Stirnseite und waagrecht angeordneten Stegplatten das Kulturmedium mäanderförmig nach unten geleitet.
Bekannt sind natürlich auch die Archimedische Schraube und die Spirale nach Da Vinci, beispielsweise aus Florian Manfred Grätz „Teilautomatische Generierung von Stromlauf- und Fluidplänen für mechatronische Systeme (Diss. München Techn. Univ. 2006) ISBN 10 3-8316-0643-9.
Darüber hinaus ist aus der DE 195 07 149 C2 eine Wasserkraftschnecke mit einem Trog und einem Generator zur Stromgewinnung bekannt. Aus der
DE 41 39 134 C2 ist eine Wasserkraftschnecke zur Energieumwandlung bekannt.
Natürlich ist der hydrostatische Kräfteausgleich als hydrostatisches Paradoxon, auch genannt Pascalsches Paradoxon, bekannt. Dieser ist ein scheinbares Paradoxon, welches das Phänomen beschreibt, dass eine Flüssigkeit einen Schweredruck, abhängig von der Füllhöhe der Flüssigkeit auf den Boden eines Gefäßes, bewirkt, die Form des Gefäßes aber keinen Einfluss ausübt.
Als kommunizierende Gefäße oder kommunizierende Röhren benennt man oben offene, unten verbundene Gefäße. Ein homogenes Fluid steht in ihnen in gleicher Höhe, weil der Luftdruck und die Schwerkraft auf die Gefäße gleichermaßen wirken. Bei inhomogenen Flüssigkeiten verhalten sich die Flüssigkeitssäulen in der Höhe umgekehrt zu ihrem spezifischen Gewicht.
üblicherweise wird - wie auch in einigen oben angeführten Verfahren - der Transport in Solarreaktoren durch handelsübliche Pumpverfahren durchgeführt. Diese Vorgehensweise verursacht Stress für die Mikroorganismen im Reaktionsmedium, sei es durch hohen Druck, Unterdruck, starke Beschleunigung oder Quetschung. Diesem Stress ausgesetzt, fallen die meisten phototrophen Mikroorganismen in ihren potenziellen photosynthetischen Fähigkeiten ab. Zellen
werden zerstört, geschädigt und oder die Mikroorganismen brauchen Zeit und/oder Stoffwechselprodukte zur Regeneration, bevor sie die ihnen zugewiesenen Prozesse wieder voll aufnehmen können. Ebenso fallen, diesem Stress ausgesetzt, die meisten photochemischen Prozesse in ihren potenziellen photokatalytischen Fähigkeiten ab, da Moleküle zerstört oder geschädigt werden und/oder Zeit und/oder weitere Oxidationsmittel benötigen, bevor sie die Ihnen zugewiesenen Prozesse wieder voll aufnehmen können.
Weiters ist aus der DE 29 51 700 C2 ein Solarkraftwerk bekannt, welches hängend an einer Achse eines Auslegers an einem Gebäuden angebracht ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs zitierten Art zu schaffen, das einerseits die obigen Nachteile vermeidet und das anderseits eine qualitative und vor allem quantitative Erhöhung der Ausbeute bzw. der Ernte ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die mäanderförmige Führung des Reaktionsmedium senkrecht oder in einem Winkel geneigt mindestens einmal von oben nach unten bzw. in Richtung Schwerkraft und von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft, erfolgt und dass sowohl eine Einbringung als auch eine Ausbringung des Reaktionsmediums in bzw. aus dem Reaktor, vorzugsweise kontinuierlich, drucklos und frei zur Atmosphäre über die obere Reaktionsmediums-Oberfläche erfolgt, wobei auf Grund des hydrostatischen Druck- und Niveauausgleich eine für die Mikroorganismen stressfreie Strömung des Reaktionsmediums erzeugt wird. Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, einen für die Mikroorganismen schonenden Transport zu erreichen, so dass eine Schädigung im Zuge ihres Produktionsverfahrens vermieden wird. Durch ein kontrolliertes Einbringen des Reaktionsmediums im Bereich des oberen Flüssigkeitsspiegels kann die Durchflussgeschwindigkeit des Reaktionsmediums durch das Reaktorelement, vorausgesetzt natürlich es ist gefüllt, definiert werden. Das Reaktionsmedium fließt mäanderartig durch die aufrechten miteinander verbundenen Reaktorelemente. Die Reaktorelemente sind so miteinander verbunden, das der Einlass und der Auslass oben angeordnet sind. Die Reaktorelemente sind ganz oder teilweise
nach oben hin offen. Der Durchfluss wird unter Ausnutzung des hydrostatischen Druckausgleiches mit minimalem Höhenverlust innerhalb des gesamten Reaktors erreicht. Durch den weitestgehend druckfreien und appressionsfreien Transport des Reaktionsmediums in einem Biosolarreaktor wird der Reaktionsprozess möglichst wenig beeinträchtigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise für folgende Anwendungsbereiche eingesetzt werden:
• Die photochemische und/oder photosynthetische Reinigung von Abwasser • Die photosynthetische Verstoffwechslung von CO2 zu Sauerstoff, durch phototrophe Mikroorganismen
• Zucht und Produktion von phototrophen Mikroorganismen für Forschungszwecke
• Forschung an photochemischen und oder photosynthetischen Prozessen • Zucht und Produktion von phototrophen Mikroorganismen für
Nahrungsmittelprodukte und Nahrungsmittelgrundstoffe
• Zucht und Produktion von phototrophen Mikroorganismen für Grundstoffe der pharmazeutischen Industrie
• Zucht und Produktion von phototrophen Mikroorganismen für Kraftstoffe und Grundstoffe für Kraftstoffproduktion und Energiegewinnung
• Zucht und Produktion von phototrophen Mikroorganismen für Grundstoffe der chemischen Industrie
• Zucht und Produktion von phototrophen Mikroorganismen die nutzbare Gase z.B. Wasserstoff) im photosynthetischen Prozess abgeben
Durch die Nutzung des hydrostatischen Kräfteausgleichs beim Durchfließen des Reaktionsmediums der Reaktorelemente erfolgt quasi ein stressfreier Transport der gegebenenfalls mitgeführten Mikroorganismen. Ferner kann eine Energieoptimierung, eine definierte Lichtführung, eine Platzoptimierung, eine Versorgung mit Zusatzstoffen, eine definierte Temperierung, eine gezielte Steuerung sowie eine verbesserte Gasausbringung erzielt werden.
Nach einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung wird eine, kontinuierliche oder chargenweise, Einbringung von flüssigen und/oder gasförmigen Zusatzstoffen, wie beispielsweise Nährstofflösungen und/oder Oxidationsmittel und/oder Wirksubstanzen und/oder den Prozess fördernde gelöste Stoffe, vorzugsweise während des Prozesses, vorzugsweise an der Unterseite, im Bereich der Umlenkung des Reaktionsmediums, durchgeführt. Dadurch können eine kontrollierte und optimierte Einbringung von Nährlösungen und prozessfördernden Lösungen sowie eine kontrollierte und optimierte Einbringung von Nähr- und Prozessgasen erfolgen. Alle Interventionen in das Reaktionsmedium werden vorzugsweise an der Unterseite der Reaktionselemente vorgenommen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt durch die Einbringung der Zusatzstoffe am unteren Ende der Flüssigkeitssäule eine Durchmischung und gleichmäßige Verteilung der Zusatzstoffe im Reaktionsmedium. Dadurch erfolgt eine Verwirbelung des Reaktionsmediums durch die aufsteigenden Gase.
Nach einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden die einbringbaren Zusatzstoffe mit einer definierten Temperatur eingebracht. Dadurch wird eine thermische Regulierung über die eingeströmten Gase und/oder Nährstofflösungen erreicht.
Entsprechend einem besonderen Merkmal der Erfindung wird die Einbringung von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen bzw. Zusatzstoffen an der Unterseite im Bereich der Umlenkung des Reaktionsmediums durchgeführt, wobei im Bereich des von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums eine größere Menge von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen bzw. Zusatzstoffen eingebracht als im Bereich des von oben nach unten bzw. in Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums. Dadurch wird - entsprechend der Arbeitsweise einer Mammutpumpe - der Flüssigkeitsspiegel in der von unten nach oben durchflossenen Röhre oder Kammer in einer Art „Gaslifteffekt" gegenüber der von oben nach unten durchflossenen Röhre bzw. Kammer angehoben. Diese Differenz des Flüssigkeitsspiegels kann bei einer
oftmaligen Hintereinanderschaltung von solchen Einheiten und vermehrter Gaseinbringung in jede aufsteigende Röhre zu einem Anstieg des Flüssigkeitsspiegels am Ende der letzten Röhre bzw. Kammer gegenüber der ersten Röhre oder Kammer führen, wenn die Konstruktion des Reaktors den Anstieg des Flüssigkeitsspiegel berücksichtigt. Trotz dieser vermehrten
Einbringung von, vorzugsweise gasförmigen, Zusatzstoffe erfolgt ein stressfreier Transport der Mikroorganismen.
Gemäß einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung erfolgt die Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten, wie beispielsweise Sauerstoff, vorzugsweise während des Prozesses, über die Reaktionsmediums-Oberfläche. Dadurch kann eine kontrollierte und optimierte Reduktion von Schadstoffen erreicht werden, wobei diese optimierte Ausbringung auch ein Sammeln von gasförmigen Prozessprodukten erlaubt.
Nach einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird der Reaktor entsprechend der Sonneneinstrahlung über den gesamten Bogen des horizontalen Sonnenverlaufes drehbar geführt oder gesteuert. Dadurch wird eine Optimierung der Sonneneinstrahlung für Biosolarreaktoren erreicht. Phototrophe Mikroorganismen für verschiedenste Anwendungen in verschiedenen
Biosolarreaktoren finden dadurch eine der Art und dem gewünschten Zuchterfolg entsprechende, optimierte, natürliche Beleuchtung, für den photosynthetischen Prozess vor. Ferner kann diese über den Tag und/oder den sich ändernden Lichtverhältnissen anpasst werden Es kann sowohl eine vermehrte als auch eine vermindernde Exposition der Mikroorganismen zur Sonneneinstrahlung, entweder zur bessere Lichtnutzung oder zum Schutz vor zu intensiver Strahlung, bewirkt werden.
Weiters ist es auch Aufgabe der Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei ein Reaktor, insbesondere ein Bioreaktor, bestehend aus Röhren vorgesehen ist, ist
dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor aus mindestens einem Reaktorelement besteht, das aus zwei aufrechten, unten verbundenen Röhren gebildet ist und dass sowohl ein Einlass als auch ein Auslass am oberen Reaktorrand vorgesehen ist.
Eine alternative erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei ein Reaktor, insbesondere ein Bioreaktor, mit Elementen aus Steg- bzw. Stegmehrfachplatten vorgesehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor aus mindestens einem Reaktorelement besteht, das aus zwei, vorzugsweise rechteckigen, aufrechten, aus den Steg- bzw. Stegmehrfachplatten gebildeten Kammern, die durch eine Trennwand, die am Boden offen ist, gebildet ist und dass sowohl ein Einlass als auch ein Auslass am oberen Reaktorrand vorgesehen ist.
Der Reaktor, insbesondere der Bioreaktor kann aus transparenten, transluzenten, beschichteten und unbeschichteten Materialien bestehen. Ebenso könnten die Röhren oder Stegplatten aus Glas oder Licht bzw. UV-Licht durchlässigem Kunststoff wie z.B. Polymethylmethacrylat bestehen. Die Reaktorelemente können sowohl aus handelsüblichen und gegebenenfalls bearbeiteten, als auch gesondert gefertigten Bauteilen, die obigen Bedingungen erfüllen, ausgeführt sein. Die Reaktorelemente werden so angeordnet, dass ein kontinuierliches, mäanderartiges Durchfließen von oben nach unten und von unten nach oben gewährleistet ist. Der Zufluss und der Abfluss zum bzw. aus dem Reaktor ist im oberen Bereich angesetzt.
Nach Eintritt in den Reaktor fließt das Reaktionsmedium, durch den hydrostatischen Kräfteausgleich, den gesamten Reaktor in aufrechten Mäandern ab. Im letzten Reaktorelement angekommen, verlässt das Reaktionsmedium den hydrostatischen Bioreaktor und wird druckfrei bzw. drucklos zu einem Reifungstank oder einem Auffangbehälter oder einem weiteren Reaktor geführt. Vom Auffangbehälter kann das Reaktionsmedium endbearbeitet oder stressfrei einer Zwischenlagerung oder weiteren Bearbeitung zugeführt werden.
Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung ist bei einer Verbindung zu einem Reaktorpanel von zwei oder mehr Reaktorelementen deren Trennwand niedriger als die Trennwand zwischen den Röhren bzw. Kammern eines Reaktorelementes ausgebildet, wodurch ein überlauf bzw. eine kommunizierende öffnung entsteht, wenn der Flüssigkeitsstand in den Reaktorelementen höher als die Trennwand zwischen den Reaktorelementen ist. Ein Reaktorelement ist wie ein kommunizierendes Gefäß ausgebildet. Durch diese Art der Serienschaltung von Reaktorelementen zu Reaktorpanelen ist die Möglichkeit gegeben, eine definierte Durchflussstrecke zu bilden.
Die den jeweiligen phototrophen Mikroorganismen oder photochemischen Anforderungen angepasste und dem Prozessergebnis entsprechend optimale Verweildauer innerhalb des gesamten Reaktors kann durch folgende Parameter beeinflusst werden: • Durchflussgeschwindigkeit
• Querschnitt der Reaktorelemente
• Höhe der Reaktorelemente
• Anzahl und Beschaffenheit der eingebrachten, nicht gasförmigen Stoffe Beschaffenheit, Anzahl, Dichte und Druck der eingeblasenen Gase • Die Anzahl der in mäanderartiger Führung verbundenen Reaktorelemente
• Die Möglichkeit Prozessabgase auszubringen
• Prozesstemperaturen
• Verweildauer und Stellung zu Licht
• Verweildauer in Reifungstanks und oder Dunkeltanks
Für den gesamten Prozess ist gegebenenfalls im Idealfall und bei entsprechender baulicher Gegebenheit ein einmaliges kontinuierliches Transportieren des Mediums vom Einlass zum Auslass möglich.
Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die, vorzugsweise serienmäßig miteinander verbundenen, Reaktorpanele in einer rahmenartigen Aufnahmeeinrichtung parallel zueinander, vorzugsweise fest montiert, zu einem Reaktor angeordnet und der Reaktor ist über mindestens eine, vorzugsweise
vertikale, Achse mit einer Dreheinrichtung zur Lichteinstrahlung verstellbar, wobei der Reaktor insbesondere stehend, hängend oder schwimmend auf einem Auftriebskörper vorgesehen ist. Durch eine derartige Aufnahmeeinrichtung und eine derartige Lagerung kann ein beliebiger Winkel zur Sonneneinstrahlung eingenommen werden. Durch eine Steuerung entsprechende dem Sonnenverlauf bzw. der Sonnennachfolge wird eine Lichtoptimierung erzielt. Für bestimmte Anwendungen kann beispielsweise eine verminderte Exposition in der Mittagszeit durch Abwenden oder Beschatten durchgeführt werden.
Da phototrophe Mikroorganismen nur in der Zone nah an der Oberfläche einen optimalen photosynthetischen Prozess durchlaufen und zur Nahrungsaufnahme und zur Teilung durch zu viel UV-Strahlung beeinträchtigt werden, ist es von Vorteil, innerhalb des Reaktorelementes sowohl an die Außenzone als auch ins Innere geführt zu werden.
Zu intensives, direkt einstrahlendes UV-Licht schädigt oder beeinträchtigt das Wachstum der Mikroorganismen und erhöht die Temperatur des Reaktionsmediums über das ideale Maß, welcher wieder gekühlt werden muss. Durch die Durchmischung des Reaktionsmediums gelangen alle phototrophen Mikroorganismen ausreichend an die mit Licht durchflutete, außenwandnahe Lichtzone des Reaktorelementes.
Bei der photokatalytischen Oxidation ist es von Vorteil, wenn alle Moleküle innerhalb des Reaktorelementes an die Licht durchflutete, außenwandnahe Lichtzone des Reaktorelementes geführt werden.
Eine nahezu Parallelstellung zur Lichtquelle bzw. ein paralleles Folgen der Sonneneinstrahlung des Reaktors wird meist ausreichen und somit wird eine massiv bessere Platznutzung möglich.
Weiters wird nahezu parallel eingestrahltes Licht von der Reaktoroberfläche teilweise reflektiert und steht dem gegenüberliegenden Reaktor zur Verfügung.
Bei schwacher Sonnenstrahlung, schlechter geografischer Lage oder bei besonders Licht bedürftigen phototrophen Mikroorganismen oder photokatalytischen Prozessen kann eine der Lichtquelle zugewandte Stellung des Reaktors in beliebigem Winkel gewählt werden.
In der bevorzugten Variante, Biosolarreaktoren die Sonnennachfolge zu ermöglichen, werden diese oben und gegebenenfalls unten im Solarbauteil fest angebracht, so dass, wenn der Solarbauteil der Sonneneinstrahlung folgt, die Reaktorpanele ihre Position zueinander nicht verändern, sondern der gesamte Solarbauteil gedreht wird. Die Reaktorpanele, die flach, oder in Einzellrohren zusammengefügt, transparent, transluzent, beschichtet und unbeschichtet sein können, werden so angeordnet, dass sie sich zur Züchtung der Mikroorganismen, entweder chargenweise in ruhendem Kulturmedium und/oder kontinuierlich in fließendem Kulturmedium eignen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist zur Erfassung des Sonnenverlaufes ein Sensor vorgesehen, über den die Steuerung der Drehbewegung für die Lichteinstrahlung für den Reaktor erfolgt. Der Sonnenverlauf wird von einem geeigneten Sensor ermittelt und auf den Reaktor als synchrone oder beliebig definierte Drehbewegung übertragen. Natürlich könnten auch die Daten bezüglich Koordinaten, Uhrzeit und Datum zur Steuerung heran gezogen werden.
Nach einer besonderen Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Lichteinstrahlung für den Reaktor über eine künstliche Beleuchtung. Der Reaktor kann in einer Art und Weise gebaut werden, dass er mit Energie versorgt werden kann und auch das Anbringen von, für phototrophe Mikroorganismen günstige, Beleuchtungsmedien, möglich ist.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind in einer aus mehreren Reaktoren bestehenden Anlage die Drehbewegungen für die Lichteinstrahlung, vorzugsweise für alle Reaktoren, synchronisiert. In einer aus mehreren Reaktoren bestehenden Anlage, kann das Drehen aller Reaktoren der gesamten Anlage so synchronisiert werden, dass die, entsprechend einer Grundanordnung, weiter
hinten liegenden Reaktoren durch eine annähernd parallele Stellung der Reaktorpanele zur Sonneneinstrahlung nicht beschattet werden. Der ideale Sonneneintrag kann dadurch gewährleistet werden.
Entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung sind mindestens Teile, insbesondere Außenflächen, der Reaktorpanele und/oder des Reaktors Licht reflektierend ausgeführt. Dadurch kann die Wirkung der natürlichen oder künstlichen Beleuchtung gesteigert werden
Nach einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung ist für die, kontinuierliche oder chargenweise, Einbringung von Zusatzstoffen, wie beispielsweise Nährstofflösungen bzw. -gasen und/oder Oxidationsmittel und/oder Wirksubstanzen und/oder den Prozess fördernde gelöste Stoffe bzw. Gase, vorzugsweise während des Prozesses, an der Reaktorunterseite, im Bereich der Umlenkung des Reaktionsmediums, mindestens ein Einbringungseinlass vorgesehen.
Das Reaktionsmedium kann wahlweise vor dem Eintritt in den Reaktor mit in Flüssigkeiten gelösten Stoffen die den Bedürfnisse der Mikroorganismen oder Anforderungen des Prozesses entsprechen, angereichert, und/oder während des Durchlaufes im Reaktor mit fluiden Nährstoffen oder Oxidationsmittel versorgt werden.
Der im photosynthetischen Prozess, durch stetes Heranwachsen der Mikroorganismen, sinkende Nährstoffgehalt im Reaktionsmedium kann durch die kontinuierliche und/oder chargenweise Einbringung einer Nährstofflösung ausgeglichen werden.
Der im photochemischen Prozess durch stetes Reagieren sinkende Wirkungsgrad im Reaktionsmedium kann ebenfalls durch die kontinuierliche und/oder chargenweise Einbringung weiterer Wirksubstanzen ausgeglichen werden.
Zum Einbringen der fluiden Nährstoffe oder Oxidationsmittel wird an der Unterseite der Reaktorelemente über steuerbare Ventile eine Zufuhrmöglichkeit geschaffen. Durch die mäanderartige Führung des Reaktionsmediums und/oder durch die aufsteigenden fluiden Wirkstoffe wird für eine gute Durchmischung und Verteilung innerhalb des gesamten Reaktors gesorgt.
Natürlich können auf diese Weise auch gasförmige Nährstoffe, Oxidationsmittel oder Wirkstoffe eingebracht werden.
Die eingebrachten Gase bewirken, durch das Aufsteigen der Gasbläschen, ein Selbstreinigen der Reaktorinnenfläche. Eine Entnahmestelle für Proben, um den Prozessfortschritt zu überprüfen ist ebenfalls unten am Reaktorelement vorgesehen.
Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung sind zur Einbringung von Zusatzstoffen im Bereich der Umlenkung im Reaktorelement und/oder im Reaktorpanel Bohrungen für die Anordnung eines, vorzugsweise durchgehenden, Rohres, insbesondere eines Gasrohres mit Mikrobohrungen, vorgesehen. Das Gasrohr hat die Anordnung der Bohrungen in einer Weise, dass das Begasen und Durchmischen des Reaktormediums in jedem Reaktorelement des Reaktorpaneies gewährleistet ist.
Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung weist das Gasrohr im Bereich des von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums eine größere Anzahl und/oder einen größeren Durchmesser aufweisende Mikrobohrungen als im Bereich des von oben nach unten bzw. in Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums auf. Damit wird einrichtungstechnisch der weiter oben genannte „Gaslifteffekt" erreicht.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist das Gasrohr an beiden Enden ein Außen- und/oder ein Innengewinde auf. Die Gasrohre sind beispielsweise derart ausgeführt, dass sie durch eine überwurfmutter gasdicht mit der Baugruppe
abschließen können. Wenigstens einer dieser überwurfmuttern ist mit einem Anschluss für eine Gasleitung versehen.
Weiters kann das Gasrohr über sein Innengewinde mit einem Verbindungsstück versehen sein, das an ein weiteres Gasrohr geschraubt werden kann.
Zum Wechseln wird an einer Seite die überwurfmutter abgeschraubt, das Verbindungsstück angebracht und das neue Gasrohr an das andere Ende des Verbindungsstückes angebracht. Mit dem neuen Gasrohr wird das zu tauschende Gasrohr durch die Baugruppe geschoben und nimmt dabei gleichzeitig seine Stelle ein. So wird gewährleistet, dass bei minimalem Gasverlust oder Flüssigkeitsverlust das zu wechselnde Gasrohr mit dem neuem Gasrohr durch die Baugruppe geschoben wird. Diese Ausführung ermöglicht ein Warten oder Verändern der Eingasvorrichtung ohne Betriebsunterbrechung bzw. einer nur minimalen Beeinträchtigung des Prozesses.
Gemäß einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung ist zur Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten, wie beispielsweise Sauerstoff, vorzugsweise während des Prozesses, ein Ausbringungsauslass vorgesehen, der über der Reaktionsmediums-Oberfläche bzw. über der Oberseite der Reaktorelemente vorgesehen ist. Gasförmige Prozessprodukte, wie Stoffwechselprodukte, die im photosynthetischen oder photochemischen Prozess entstehen, können durch die Druckfreiheit im Reaktorelement frei im Reaktionsmedium aufsteigen.
Durch die ganz oder teilweise nach oben hin offene Konstruktion des
Reaktorelementes ist ein Entweichen und/oder Absaugen der gasförmigen Prozessprodukte möglich.
Die Prozess-Abgas-Ausbringung wird durch die im Prozess entstehenden, aufsteigenden Bläschen gefördert und/oder durch zusätzlich eingeblasene Gase gegebenenfalls gesteuert.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist zur Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten eine über der Reaktionsmediums-Oberfläche bzw. über der Oberseite der Reaktorelemente vorgesehene Sammeleinrichtung mit einem Ausbringungsauslass vorgesehen. Dadurch können die gasförmigen Prozessprodukte gesammelt und gegebenenfalls einer weiteren Verwertung oder Entsorgung zugeführt werden. Auch ein Verlust von Reaktionsmedium durch Verdunstung und/oder durch Spritzverlust und ein kontrolliertes Austragen und Sammeln von Gasen ist durch eine geschlossen Bauweise möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vor dem Einlass und/oder nach dem Auslass ein Sifon vorgesehen. Der Zufluss, zum Reaktor ist im oberen Bereich angesetzt. Das Reaktionsmedium kann durch ein Sifon dem ersten Reaktorelement druckfrei bzw. drucklos und gegebenenfalls gasdicht zugeführt werden und durch einen weiteren Sifon nach dem Reaktor, drucklos und gegebenenfalls gasdicht abgeführt werden.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung ist zum Transport des Reaktionsmediums sowohl innerhalb des Reaktors als auch zwischen Reaktoren eine Archimedische Schraube oder eine Spirale nach Da Vinci vorgesehen. Bei einer derartigen Einrichtung sind auf einer Achse einmalig oder mehrfach gelagert ein oder mehrere Schläuche oder Stege spiralförmig aufgewickelt und in einer beliebigen Technik, beispielsweise geschraubt, verklebt, etc., stabil befestigt. Der oder die jeweiligen Schläuche oder Stege sind an beiden Enden offen. Das Transportelement ist so ausgerichtet und gelagert, dass das untere Ende der Schläuche oder Stege Reaktionsmedium aus einem Behältnis schöpft.
Schläuche oder Stege sind jedoch nur soweit ins Reaktionsmedium getaucht, das bei jeder Umdrehung das Schlauchende oder der Steg außerhalb des Reaktionsmediums über die Oberfläche gelangt.
Durch eine langsame Drehung in Spiralrichtung, die keine wesentlichen Zentrifugalkräfte erzeugt, wird das Reaktormedium unter Ausnutzung des hydrostatischen Druckausgleiches in den jeweiligen unteren Hälften der Schläuche oder Stege ans obere Ende der Schraube transportiert. Bei jeder
Drehung wird die, in der zuoberst gelegen Halbwindung befindliche Flüssigkeit freigegeben und fällt in ein gegenüber dem Ausgangsbehältnis höher gelegenes Behältnis. Durch wahlweise ganzes oder teilweises Verschließen der Transportvorrichtung kann Spritzverlust und oder Gasaustritt vermieden werden.
Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen Bioreaktor bestehend aus Röhren,
Fig. 2 eine Draufsicht gemäß Fig. 1 ,
Fig. 3 einen Seitenriss gemäß Fig. 1 ,
Fig. 4 einen Bioreaktor bestehend aus Stegplatten,
Fig. 5 eine Draufsicht gemäß Fig. 4, Fig. 6 einen Seitenriss gemäß Fig. 4,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Röhre,
Fig. 8 eine Prinzipskizze für den „Gaslift"-Effekt,
Fig. 9 und 10 Prinzipskizzen von Anwendungen des „Gasliff-Effektes
Fig. 11 einen Bioreaktor mit einer Archimedischen Spirale, Fig. 12 einen Biosolarreaktor,
Fig. 13 und 14 eine schematische Darstellung der Sonneneinstrahlung auf den
Bioreaktor.
Gemäß der Fig. 1 bis 3 besteht ein Reaktor, insbesondere ein Biosolarreaktor 1 , aus mindestens einem Reaktorelement 2, das aus zwei aufrechten, unten verbundenen Röhren 3 gebildet ist. Ein Einlass 4 sowie auch ein Auslass 5 sind am oberen Reaktorrand vorgesehen. Für den Aufbau eines Biosolarreaktors 1 werden eine Vielzahl an Reaktorelementen 2 in Serie geschaltet, wobei immer ein Auslass 5 mit einem Einlass 4 verbunden ist.
Ein derartiger Biosolarreaktor 1 wird für ein Verfahren für einen photochemischen, wie photokatalytischen und/oder photosynthetischen Prozess, insbesondere für eine Zucht und Produktion bzw. Hydrokultivierung von, vorzugsweise
phototrophen, Mikroorganismen eingesetzt. Für seinen Betrieb wird der Biosolarreaktor 1 mit einem Reaktionsmedium 6, beispielsweise einer wässerigen Lösung oder einer Suspension, gefüllt. Im Betrieb wird der Biosolarreaktor 1 nur mehr über seinen ersten Einlass 4 gespeist. Die Führung bzw. Flussrichtung des Reaktionsmediums 6 erfolgt aufrecht, vorzugsweise senkrecht, einmal von oben nach unten und von unten nach oben in einem Reaktorelement 2. Bei einer Hintereinanderschaltung von mehreren Reaktorelementen 2, die miteinander verbunden sind, fließt das Reaktionsmedium 6 mäanderförmig durch den Reaktor. Sowohl die Einbringung bzw. Einspeisung als auch die Ausbringung des Reaktionsmediums 6 in bzw. aus dem Biosolarreaktor 1 , erfolgt vorzugsweise kontinuierlich, drucklos und frei zur Atmosphäre über die obere Reaktionsmediums-Oberfläche bzw. knapp über dem oberen Flüssigkeitsspiegel oder im Bereich des oberen Flüssigkeitsspiegels.
Die Reaktorelemente 2, sind somit mäanderartig als kommunizierende Röhren 3 miteinander verbunden, wobei der Einlass 4 und der Auslass 5 oben liegen. Die Reaktorelemente 2 sind ganz oder teilweise, je nach Bedarf, nach oben hin offen. Auf Grund des hydrostatischen Druck- und Niveauausgleichs erfolgt über die Einspeisung von Reaktionsmedium 6 am Einlass 4 eine Strömung des Reaktionsmediums 6. Für das Verfahren bedeutet das, dass für die
Mikroorganismen eine stressfreie Strömung des Reaktionsmediums 6 erzeugt wird. Dadurch wird ein freies Fließen zwischen den einzelnen Reaktorelementen 2 ermöglicht, ohne das weitere Energie zugeführt werden muss. Das Reaktionsmedium 6 bewegt sich, im Bestreben der Flüssigkeit den Höhenunterschied zwischen Einlass 4 und Auslass 5 auszugleichen, mit minimalem Höhenverlust mäanderartig durch den Reaktor.
Gemäß den Fig. 4 bis 6 ist eine alternative Bauart eines Biosolarreaktors 1 aufgezeigt. Dieser Biosolarreaktor 1 , besteht aus Steg- bzw. Stegmehrfachplatten 7. Bei dieser Bauart besteht ein Reaktorelement 2 aus zwei, vorzugsweise rechteckigen, aufrechten, aus den Steg- bzw. Stegmehrfachplatten 7 gebildeten Kammern 8, die durch eine Trennwand 9, die am Boden offen ist, gebildet ist. Sowohl der Einlass 4 für die Einbringung bzw. Einspeisung als auch der Auslass 5
ist am oberen Reaktorrand vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 4 sind bereits zwei Reaktorelemente 2 verbunden.
Bei einer Verbindung von zwei oder mehr Reaktorelementen 2 ist deren Trennwand 10 niedriger als die Trennwand 9 zwischen den Röhren 3 bzw.
Kammern 8 eines Reaktorelementes 2 ausgebildet. Dadurch entsteht ein überlauf bzw. eine kommunizierende öffnung, wenn der Flüssigkeitsstand in den Reaktorelementen 2 höher als die Trennwand 10 zwischen den Reaktorelementen 2 ist. Dadurch wird der Energieverbrauch minimiert, indem auf Pumpen zwischen den Prozessschritten weitestgehend verzichtet werden kann und beliebig viele gleich oder verschiedene Prozessschritte in selber Durchflusshöhe aneinander gekoppelt werden können.
Die einzelnen Reaktorelemente 2 können transparent oder transluzent oder bei Bedarf auch lichtdicht ausgeführt sein. Als Materialien können sowohl Glas oder UV-durchlässiger Kunststoff, wie z.B. Polymethylmethacrylat Verwendung finden.
Die Befüllung sowie der Betrieb des Biosolarreaktors 1 erfolgen analog den Ausführungen zu den Fig. 1 bis 3.
In Hinblick auf die Lichteinstrahlung auf die Reaktorelemente 2 - auf die noch später näher eingegangen wird - ist gemäß der Fig. 6 ein geneigter Reaktor gezeigt. Trotzdem, dass der Reaktor in einem Winkel geneigt ist, fließt das Reaktionsmedium 6 einmal von oben nach unten bzw. in Richtung Schwerkraft und von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft.
Gemäß der Fig. 1 und der Fig. 4 ist für die, kontinuierliche oder chargenweise, Einbringung von Zusatzstoffen 12, wie beispielsweise Nährstofflösungen bzw. - gasen und/oder Oxidationsmittel und/oder Wirksubstanzen und/oder den Prozess fördernde gelöste Stoffe bzw. Gase, vorzugsweise während des Prozesses, an der Reaktorunterseite, im Bereich der Umlenkung des Reaktionsmediums 6, mindestens ein Einbringungseinlass 11 , beispielsweise ein steuerbares Ventil, vorgesehen.
Entsprechend dem Verfahren wird das Reaktionsmedium 6 wahlweise vor dem Eintritt in den Reaktor mit CO2 oder anderen Gasen gesättigt, der Sättigungsgrad wird den Bedürfnissen des Prozesses entsprechend angereichert und /oder während des Verweilen im Reaktor mit CO2 anderen Gasen versorgt. Der im photosynthetischen Prozess, durch stetes Heranwachsen der
Mikroorganismen, sinkende CO2 Gehalt im Reaktionsmedium 6 kann durch die kontinuierliche oder gepagte Einbringung von CO2 ausgeglichen werden.
Der im photochemischen Prozess, durch stetes Reagieren sinkende Wirkungsgrad im Reaktionsmedium kann durch die, kontinuierliche und/oder chargenweise, Einbringung weiterer Wirkgase ausgeglichen werden.
Durch die Einbringung der Zusatzstoffe am unteren Ende der Flüssigkeitssäule über die Einbringungseinlässe 11 gemäß der Fig. 7 erfolgt eine Durchmischung und gleichmäßige Verteilung der Zusatzstoffe im Reaktionsmedium 6.
Das Einbringen von Zusatzstoffen 12, wie Fluide und Gase optimiert weiters die Versorgung mit Licht, da durch die somit entstehende Verwirbelung im Reaktionsmedium 6 alle Moleküle oder phototrophen Mikroorganismen ausreichend an die mit Licht durchflutete, außenwandnahe Lichtzone - angedeutet mit den Pfeilen 13 - des Reaktorelementes 2 geführt werden.
Die Einbringung von Fluiden und Gasen erzeugt eine Verwirbelung im Reaktionsmedium 6, wodurch ein weiterer vorteilhafter Effekt zum Tragen kommt, nämlich dass durch das Aufsteigen der Gasbläschen eine kontinuierliche Reinigung der Reaktorinnenflächen bewirkt wird.
Ferner kann auch durch definiert eingebrachten Fluide und Gase eine Erwärmung oder Abkühlung des Reaktionsmediums 6 erfolgen. Die eingebrachten Zusatzstoffe 12 können somit zum kontrollierten Temperieren des Reaktionsmediums 6 herangezogen werden.
Gemäß der Fig. 8 wird die Einbringung von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen bzw. Zusatzstoffen 12 an der Unterseite im Bereich der Umlenkung des Reaktionsmediums 6 durchgeführt. Bei einer besonderen Ausführungsform des Reaktors wird im Bereich des von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums 6 eine größere Menge von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen bzw. Zusatzstoffen 12 eingebracht als im Bereich des von oben nach unten bzw. in Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums 6. Dadurch wird - wie bereits angesprochen, entsprechend der Arbeitsweise einer Mammutpumpe - der Flüssigkeitsspiegel in der von unten nach oben durchflossenen Röhre 3 oder Kammer in einer Art „Gaslifteffekt" gegenüber der von oben nach unten durchflossenen Röhre 3 bzw. Kammer angehoben. Diese Differenz des Flüssigkeitsspiegels a kann bei einer oftmaligen Hintereinanderschaltung von Reaktorelementen 2 mit vermehrter Gaseinbringung in jede aufsteigende Röhre 3 zu einem Anstieg des Flüssigkeitsspiegels am Ende der letzten Röhre 3 bzw. Kammer gegenüber der ersten Röhre 3 oder Kammer führen, wenn die Konstruktion des Reaktors den Anstieg des Flüssigkeitsspiegel berücksichtigt. Trotz dieser vermehrten Einbringung von, vorzugsweise gasförmigen, Zusatzstoffe 12 erfolgt ein stressfreier Transport der Mikroorganismen.
Gemäß der Fig. 9 berücksichtigt eine Konstruktion des Reaktors, bei gleicher baulicher Ausführung der hintereinander geschalteten Reaktorelemente 2, diesen Anstieg beispielsweise, wenn die Grundbasis des Reaktors im selben Ausmaß ansteigend ist.
Die Stellung von Reaktorpanelen 18 in einem Winkel längs der Panelachse, ergibt in Anwendung des „Gaslifteffektes" folgenden Vorteil:
Das Medium wird in der Einlassöffnung 4 in ein Reaktorpanel 18 eingebracht, welches sich in einem Winkel, längs der Panelachse neigt, so dass der Einlass 4 tiefer als der Auslass 5 liegt. Durch den „Gaslifteffekt", der in jeder zweiten Röhre des Reaktorpaneies 18 wirkt, wird eine höhere Wassersäule erzeugt und das
Medium kann trotz der größeren Höhe in die nächste Röhre überfließen und so ansteigend, kommunizierende Gefäße bilden.
Die Neigung ist maximal in einem Winkel angelegt, der nicht zu einem rückwärtigen überfließen der Stege 9 führt, die die beiden Flüssigkeitssäulen innerhalb eines Reaktorelementes 2 trennt.
Bei überschreiten des maximal möglichen Winkels würde das Medium, nach dem Passieren der Röhre 3, in dem es gegen die Schwerkraft fließt, über den Steg 9 hinweg wieder in die Röhre zurück fließen, aus der es zuvor gekommen ist, und somit einen geschlossenen Kreislauf mit Gasliftumwälzung erzeugen.
Durch ein Variieren der Neigung des Reaktorpaneies 18 und von Gasdruck oder Gasmenge kann die erwünschte Steigung des „Gaslifteffektes" reguliert werden, wodurch sich ein Kontrollieren der Fließgeschwindigkeit mit zunehmender Höhe der oberen Flüssigkeitskante ergibt.
Im einem weiteren Anwendungsfall (Fig. 10), wenn es nicht zum „Gaslifteffekt" kommt, da kein oder wenig Gaseintrag stattfindet, kann die Fließgeschwindigkeit ebenfalls durch Neigen in einem Winkel gesteuert werden.
Das Reaktionsmedium 6 wird im Einlass 4 in ein Reaktorpanel 18 eingebracht, welches sich in einem Winkel, längs der Panelachse neigt, so dass der Einlass 4 höher als der Auslass 5 liegt.
Zwar wirkt der hydrostatische Niveauausgleich immer noch zwischen den einzelnen Reaktorelementen 2, jedoch entsteht innerhalb der einzelnen Reaktorelemente 2 eines Reaktorpaneies 18 jeweils ein kleines Gefälle, welches sich beschleunigend auf die Fließgeschwindigkeit durch das Reaktorpanel 18 auswirkt.
Die Neigung kann maximal in einem Winkel angelegt werden, der nicht zu einem überfließen der Stege 9, in der Richtung vom Einlass 4 zum Auslass 5, führt, die
die Flüssigkeitssäulen innerhalb eines Reaktorelementes 2 trennen, da dann keine Strömung in den Röhren 3 erzeugt wird, sondern das Medium nur noch oberhalb über die Stege 9 hinweg fließen würde und das Medium in den Reaktorelementen 2 zum Stillstand kommen würde.
Durch ein Variieren der Neigung des Reaktorpaneies 18 und des Gasdruckes/Gasmenge kann das erwünschte Gefälle reguliert werden, wodurch sich ein Kontrollieren der Fließgeschwindigkeit mit abnehmender Höhe der oberen Flüssigkeitskante ergibt.
So könnte also der „Gaslifteffekt" in nachstehenden Beispielen genützt werden:
Nutzen des Anstieges der oberen Wasserkante:
- zusätzliche Höhe für Absetztanks - zusätzliche Höhe um Fließstrecken zwischen Reaktoren untereinander oder zwischen Prozessschritten zu überwinden
- Betrieb eines Hydrozyklons durch herab fließendes Wasser
- Durchlaufen von Filtern
- Abtrennen von Produkten vom Reaktionsmedium - Durchlaufen von Aufbereitungsanlagen zum wieder Verwenden des Mediums ohne innerhalb der gesamten Anlage zusätzliche Energie für Pumpen aufzuwenden
Nutzen des Gleichbleibens der oberen Wasserkante: - kein zu überwindender Höheverlust in dieser Phase des Prozesses
- gute Kontrolle der Fließgeschwindigkeit
- mäßige Verwirbelung (Lichtzufuhr und Profilaxe einer Filmbildung) und ökonomischer Betrieb wenn im Prozess gerade wenig Gas benötigt wird
Nutzen des geringfügigen Absenkens der oberen Wasserkante:
- kein großer zu überwindender Höheverlust in dieser Phase des Prozesses (nachgeschalteter Gaslift)
- gute Kontrolle der Fließgeschwindigkeit
- mindestnötige Eingasung für Verwirbelung (Lichtzufuhr und Profilaxe einer Filmbildung) und damit ökonomischer Betrieb, wenn im Prozess gerade kein Gas benötigt wird
Es wird angestrebt, die gesamte Anlage so zu steuern, das außer dem Gaslift an ökonomisch sinnvoller Stelle, innerhalb der gesamten Anlage keine zusätzliche Energie für den Fluss des Mediums aufzuwenden ist.
Zur Einbringung der Zusatzstoffe 12 im Bereich der Umlenkung im Reaktorelement 2 und/oder im Reaktorpanel 18 sind Bohrungen 20 für die Anordnung eines, vorzugsweise durchgehenden, Rohres, insbesondere eines Gasrohres 21 mit Mikrobohrungen 22, vorgesehen. Zur vermehrten Einbringung der gasförmigen Zusatzstoffe 12 weist das Gasrohr 21 im Bereich des von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums 6 eine größere Anzahl und/oder einen größeren Durchmesser aufweisende Mikrobohrungen 22 als im Bereich des von oben nach unten bzw. in Richtung der Schwerkraft fließenden Reaktionsmediums 6 auf.
Für einen raschen Wechsel des Gasrohres 21 (Fig. 8) weist es an beiden Enden ein Außen- und/oder ein Innengewinde 23 auf. Die Gasrohre 21 sind beispielsweise derart ausgeführt, dass sie durch eine überwurfmutter gasdicht mit der Baugruppe abschließen können. Wenigstens eine dieser überwurfmuttern ist mit einem Anschluss für eine Gasleitung versehen.
Weiters kann das Gasrohr über sein Innengewinde mit einem Verbindungsstück 24 versehen sein, das an ein weiteres Gasrohr 21 geschraubt werden kann.
Zum Wechseln wird an einer Seite die überwurfmutter abgeschraubt, das Verbindungsstück 24 angebracht und das neue Gasrohr 21 an das andere Ende des Verbindungsstückes 24 angebracht. Mit dem neuen Gasrohr 21 wird das zu tauschende Gasrohr 21 durch die Baugruppe geschoben und nimmt dabei gleichzeitig seine Stelle ein. So wird gewährleistet, dass bei minimalem Gasverlust oder Flüssigkeitsverlust das zu wechselnde Gasrohr 21 mit dem neuem Gasrohr
21 durch die Baugruppe geschoben wird. Diese Ausführung ermöglicht ein Warten oder Verändern der Eingasvorrichtung ohne Betriebsunterbrechung bzw. einer nur minimalen Beeinträchtigung des Prozesses.
Als alternative oder zusätzliche Möglichkeit zum oben aufgezeigtem „Gaslift" kann gemäß der Fig. 11 der Biosolarreaktor 1 mit einer Archimedischen Schraube 14 versehen sein. Die Archimedische Schraube 14 oder eine Spirale nach Da Vinci dient zum Transport des Reaktionsmediums 6 sowohl innerhalb des Reaktors als auch zwischen Reaktorteilen oder Reaktoren. Vor dem Einlass 4 und nach dem Auslass 5 ist je ein Sifon 15 vorgesehen.
Natürlich können die Sifone 15 auch unabhängig von der Archimedischen Schraube 14 vor dem Einlass 4 bzw. nach dem Auslass 5 aus dem Reaktor angeordnet werden. Das Reaktionsmedium 6 kann durch einen Sifon 15 dem ersten Reaktorelement 2 druckfrei bzw. drucklos zugeführt werden.
Die Archimedische Schraube 14 oder eine Spirale nach Da Vinci wird bei dem Verfahren für kontinuierliche photokatalytische und photosynthetische Prozesse und Transporte in Biosolarreaktoren 1 bevorzugt eingesetzt. Insbesondere dann, wenn der Transport des Reaktionsmediums 6 die überwindung von
Höhendifferenzen verlangt. Mit einem Einsatz der Archimedischen Schraube 14 oder der Spirale nach Da Vinci gelingt ein- oder auch mehrmaliger stressfreier Transport. Für folgende Anwendungen könnte diese Einrichtung zum Einsatz kommen: • Transport, zum mehrmaligen Durchlaufen des Reaktionsmediums 6, durch denselben Reaktor.
• Transport zwischen einer Reihe von, gegebenenfalls verschiedenen, Reaktoren und/oder Reifungstanks, die einmal oder mehrmals, durchlaufen werden. • Ein oder mehrmaliges Transportieren eines Reaktionsmediums 6 wechselweise zwischen einem Tank und einem beliebigen Bioreaktor.
• Ein oder mehrmaliger Transport eines Reaktionsmediums zwischen Tanks.
Wie bereits kurz angerissen, kann nach und/oder vor dem Biosolarreaktor 1 ein - nicht dargestellter - Reifungstank für insbesondere einen kontinuierlichen, photochemischen oder photosynthetischen Prozess vorgesehen werden. Der hydrostatischen Reifungstank ist bauartähnlich wie der hydrostatische Bioreaktor mit mäanderartigen Reaktorelementen 2 ausgestattet, die eine aufrechtes durchfließen ermöglichen. Der Reifungstank kann aus lichtundurchlässigem Material beschaffen sein, da phototrophen Mikroorganismen in der Ruhephase nur die richtige Temperatur Nährstoffe und Gelegenheit zum Austragen von Stoffwechselabfall benötigen können. Weiters kann ein, im Verhältnis zum Bioreaktor, größerer Querschnitt in den Reaktorelementen 2 eingesetzt werden um die Ruhezeit zu regulieren und um Platz zu sparen.
Der gewünschte weitestgehend druckfreie bzw. drucklose Transport des Reaktionsmediums 6 wird folgend erreicht: Das Reaktionsmedium 6 ist während des gesamten Transports keinem weiteren Druck, als jenem ausgesetzt, der innerhalb des Transportelementes durch das Eigengewicht des Reaktionsmediums 6 entsteht. Durch eine geringe Drehzahl wird das Reaktionsmedium 6 keinen nennenswerten Zentrifugalkräften ausgesetzt. Die Entwicklung der Mikroorganismen oder der Ablauf des Prozesses wird durch den Transport nicht unterbrochen oder gestört. Durch die Nutzung des hydrostatischen Druckausgleiches in einer „Archimedischen Schraube" oder in einer Spirale nach Da Vinci bleibt die Druckfreiheit gewahrt. Die Prozesse können frei von Stress, Beschleunigung und Druck ablaufen.
Das Reaktionsmedium 6 ist während des gesamten Transports keiner höheren Appression, als jener ausgesetzt, der innerhalb des Transportelementes durch das freie Fließen des Reaktionsmediums entsteht. Die Entwickelung der Mikroorganismen oder der Ablauf des Prozesses wird durch den Transport nicht unterbrochen oder gestört. Abriebverletzungen und Beschädigung der Zellwände der Mikroorganismen oder Moleküle wie durch Pumpen werden ausgeschlossen. Durch die Nutzung des hydrostatischen Druckausgleiches in einer Archimedischen Schraube oder in einer Spirale nach Da Vinci bleibt die Appressionsfreiheit gewahrt.
Zur Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten, wie beispielsweise Sauerstoff, vorzugsweise während des Prozesses, ist ein Ausbringungsauslass 16 vorgesehen, der über der Reaktionsmediums-Oberfläche bzw. über der Oberseite der Reaktorelemente vorgesehen ist. Zur Ausbringung dieser gasförmigen Prozessprodukte kann eine über dem Flüssigkeitsspiegel des Reaktionsmediums 6 bzw. über der Oberseite der Reaktorelemente vorgesehene Sammeleinrichtung 17 mit dem Ausbringungsauslass16 vorgesehen sein.
Gemäß der Fig. 12 kann der Biosolarreaktor 1 zur Lichteinstrahlung verstellbar ausgeführt werden. Bei schwacher Sonnenstrahlung, schlechter geografischer Lage oder bei besonders Licht bedürftigen phototrophen Mikroorganismen oder photokatalytischen Prozessen wird der Biosolarreaktor 1 entsprechend der Sonneneinstrahlung über den gesamten Bogen des horizontalen Sonnenverlaufes drehbar geführt oder gesteuert.
Die, vorzugsweise serienmäßig miteinander verbundenen, Reaktorpanele 18 sind in einer rahmenartigen Aufnahmeeinrichtung 25 nahezu parallel zueinander, vorzugsweise fest montiert, zu einem Reaktor angeordnet. Der Biosolarreaktor 1 ist über mindestens eine, vorzugsweise vertikale, Achse 26 mit einer Dreheinrichtung zur Lichteinstrahlung verstellbar, wobei der Reaktor insbesondere stehend, hängend oder schwimmend auf einem Auftriebskörper vorgesehen sein kann.
Zur Erfassung des Sonnenverlaufes kann ein Sensor oder das Nutzen von Daten bezüglich Koordinaten, Uhrzeit, und Datum vorgesehen sein, über den die
Steuerung der Drehbewegung für die Lichteinstrahlung für den Reaktor erfolgt.
Der Ordnung halber muss festgehalten werden, dass die Lichteinstrahlung für den Reaktor auch über eine künstliche Beleuchtung erfolgen kann.
In einer aus mehreren Reaktoren bestehenden Anlage können die Drehbewegungen für die Lichteinstrahlung, vorzugsweise für alle Reaktoren, synchronisiert werden.
Auch können zur besseren Ausnutzung der Lichtstrahlen mindestens Teile, insbesondere Außenflächen, der Reaktorpanele 18 und/oder des Reaktors Licht reflektierend ausgeführt sein.
Gemäß der Fig. 13 ist ein aus Reaktorelementen 2 gebildetes Reaktorpanel 18 derart angeordnet, dass die - schematisch angedeuteten - Licht- bzw. Sonnenstrahlen 19 in einem annähernd rechten Winkel zur Panelachse auftreffen.
Gemäß der Fig. 14 sind mehrere, vorzugsweise miteinander verbundene, Reaktorpanele 18 vorgesehen, die derart angeordnet sind, dass die Licht- bzw. Sonnenstrahlen 19 nahezu parallel zu den Solarpanelachsen verlaufen.
Bei einer speziellen Ausführungsvariante sind die Reaktorpanele 18 aufrecht hängend und/oder stehend in eine obere und/oder untere Halterung bzw. in die Aufnahmeeinrichtung 25 eingebracht.
Diese Halterung bzw. Aufnahmeeinrichtung 25 kann folgende Funktionen erfüllen:
• Die Funktion als Drehelement, um der Sonneneinstrahlung zu folgen.
• Den Reaktor in Bezug zu anderen Teilen einer Gesamtanlage anzuheben oder zu senken. • Die Kippfunktion um den Reaktor zur Sonne hin zu neigen.
• Den Reaktorpanelen 18 halt zu geben.
• Die Reaktorpanele 18 mäanderartig miteinander zu verbinden.
• Die einzelnen Reaktorelemente gasdicht verschließen zu können.
• Wenigstens ein Reaktorpanel 18 in einem Winkel, längs der Panelachse, zu neigen.
Diese Halterung kann, wenigstens zwei bis beliebig viele, Reaktorpanele 18 zu einem Reaktor aufnehmen.
Dies ermöglicht ein enges Stellen und oder hintereinander Stellen von Reaktoren, was eine maximale Platznutzung erlaubt.
Das Verfahren ermöglicht ein optimales kombinieren von Reaktionsphasen unter Licht und Ruhephasen im Dunkel sowie einen stressfreien Transport.
So wird ein Aufbau von kontinuierlich einmalig durchlaufenden Prozessen ermöglicht oder modular, gesteuertes, mehrfaches Durchlaufen der einzelnen Teile.
Das Reaktionsmedium 6 kann vor der eigentlichen Reaktion in einem
Anreicherungstank mit Nährstoffen und Nährgasen grundversorgt werden, die die Bioreaktion von Beginn an begünstigen. Im Fall der Abwasserreinigung oder Schadstoffbeseitigung kann eine, den phototrophen Mikroorganismen maximal zumutbare Erstanreicherung mit den jeweiligen Schadstoffen im Reaktionsmedium erzeugt werden.
Das Reaktionsmedium 6 kann ideal temperiert werden und die, dem Zweck der Reaktion entsprechenden, phototrophen Mikroorganismen oder chemischen Stoffe können in einer definierten Menge eingebracht werden.
Zum Aufrechterhalten der idealen Reaktionsbedingungen können im Reaktionsmedium 6 Temperatur, Prozessfluidgehalt, Prozessgasgehalt, Umwälzung, Durchmischung, Lichtzufuhr, und Abfuhr von Stoffwechselprodukten kontrolliert und gesteuert werden.
Das oben aufgezeigte Verfahren löst nachstehende Problematiken in vorteilhafter Weise:
• Kontinuierliche photokatalytische und photosynthetische Prozesse und Transporte in Solarreaktoren
• Kontrollierter und optimierter Energieverbrauch im Prozess
• Kontrollierte und optimierte Einbringung von Nährlösungen und prozessfördernden Lösungen
• Kontrollierte und optimierte Einbringung von Nähr- und Prozessgasen • Kontrollierte und optimierte Reduktion von Schadstoffen
• Optimierte Ausbringung und Sammeln von gasförmigen Prozessprodukten
• Kontrollierte und optimierte Versorgung mit Licht
• Minimierung des Platzverbrauches durch Lichtführung
• Kontrollierte und optimierte Prozesstemperatur
• Stressfreier Transport der Mikroorganismen im Reaktionsmedium 6
• Kontrollieren der Fliessgeschwindigkeit.