CN104797700A - 培养光养生物的光生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于光养生物(特别是藻类)培养的光生物反应器，光生物反应器内的一种支承构件的布置，以及一种配备有该光生物反应器的生物沼气装置。根据本发明，提供了一种用于培养悬浮液(特别是藻类基质)流过的透明管道***。在这种情况下，透明管道***以层级方式配置，以能够在多个层级上实现特别高效的培养。

Description

培养光养生物的光生物反应器
本发明涉及一种如权利要求1序言所述的光生物反应器，一种如综合权利要求所述的光生物反应器内的一种支承构件的布置，以及一种配备有该光生物反应器的生物沼气装置。
由于其丰富的高品质生物质属性，光养生物(例如藻类)可以被方便用于生物沼气生产。在该过程中，可以在特殊的光生物反应器内培养光养生物，然后在尽可能最佳的条件下在发酵罐(也被称为生物反应器)内将其发酵为生物沼气。
对于光养生物的培养，通常具有开放式和封闭式生产***。在开放式生产***中，例如开放式水池，光养生物在户外培养，并且光养生物生长所需要的光基本上由可用日光提供。在这种情况下，生物培养过程中存在污染危险，特别是环境影响所带来的危险，例如风和外来物质，这主要由开放式布置所造成。最后，外来物质也可能会引起培养的生物突变为未知的或有害的藻类等，并因此会污染装置的其他部件。例如对于藻类，该生产***的目标温度调节是生物培养的一个重要因素，其适宜范围介于16-22℃之间，但这通常难以实现。
DE 4134813 A1文件介绍了封闭式生产***，该***同时将日光以及人造光用于光养微生物的培养。该装置包括弯曲状通道，用于培养基流过。在一个实施例中，该通道布置在平行平面板之间并悬吊在一个框架上，同时可以转动，以改进光线入射。
此外，光生物反应器与生物沼气装置之间的联接是已知的(DE 102010001907 A1)，其中提供了一个光生物反应器，其结构管道以弯曲状布置。结构管道的布置具有一个倾斜角度，并且结构管道具有特殊的表面形状，以防止生物膜的形成。
在封闭式生产***中，该复杂的结构存在着问题，并很难以一种经济的方式实现工业规模的光养生物的培养。在引言中提到的光生物反应器类型在设计上主要用于有限的生产量。对于工业规模的光生物反应器或生物沼气装置，有必要以一种便于维护的方式进行设计，以提高该***的可用性并确保最佳操作。
此外，植物或动物残余物和有机废物被越来越多地用作光养生物的培养以及生物沼气生产的基质。大量生物沼气被生产，尤其在人口密集的新建居民区，但是，在城市规划中，通常无法考虑大规模的光生物反应器或生物沼气装置。一般情况下，光生物反应器或生物沼气装置在偏远地区使用。反过来，基质材料的必要运输影响了光生物反应器或生物沼气装置的成本效益。
除非下文另有说明，上述的特征可以以任何方式与下文描述的本发明的标的物组合，即可单独使用，也可任意组合。
本发明的一个目的是进一步开发一种光生物反应器或生物沼气装置。
本发明的该目的通过具有权利要求1的特征的光生物反应器，以及具有所述协调权利要求的特征的制品来实现。有利的实施例在从属权利要求中显而易见。
因此，根据该提案，提供了一种用于培养悬浮液流过的透明管道***，优选地，用于光养生物生长的所述管道的朝向采用大致水平的方式。本发明意义上的培养悬浮液包括用于光养生物培养的营养液。在藻类培养的情况下，培养悬浮液主要构成了藻类基质。此外，该透明管道***以水平层级方式布置，尤其是至少两个水平层级，优选地采用四个以上的水平层级。因此，该管道***的水平层级布置对应于数个层级的管道的大致水平情况。优选地，处于一个水平层级的管道或管段的间距要显著小于水平层级之间的间距。因此，这样可保证水平层级结构的管道或管段的空间节省。该透明管道***的水平层级结构能够实现表面面积的有效利用。这样，可以减少对光生物反应器或配备该光生物反应器的生物沼气装置的表面面积的要求。同时，由于管道的水平层级布置，这能够以一种高效的方式提供较大的管道容量，以便培养悬浮液(例如藻类基质)流过，并将其充分暴露于光线，实现最佳的光合作用。这可以避免培养悬浮液(例如微型藻类基质)流经的管道***的不利遮阴情况，而这一问题是常见的。因此，这可以提高整个光生物反应器或生物沼气装置的效率。
为了使透明管道***避免受到天气影响并达到保温效果，在一个实施例中提供了外壳，该外壳的一些部位具有透光性。外壳的上部，特别是顶部，优选地应以一种透光方式布置，以确保尽可能合适的日光入射。
在一个优选的实施例中，顶部构造应允许可变的透光率。优选地，在顶部提供一种用于气体流过的遮盖物外形的双层壁结构物。该双层壁遮盖物优选地被配置成膜结构，例如由塑料(聚乙烯或石墨烯等)构成，特别应具有极佳的透光性。优选地，将石墨烯作为一个层，在配置上尤其应采用通过施加电压可改变光透射率的方式，例如通过一种液体中的金属微粒(细金属屑等)的磁化。相应地，可磁化的液体可流过该双层壁结构。优选地，光透射率是可调节的，使得能够实现50％至低于3％的反射率。优选地，在作为遮盖物的该膜的布置实现方式上，该膜可以通过光生物反应器内的过压被充气，并因此可形成稳定的顶部。因此，通过密封连接件，例如卡环，双层壁遮盖物在外壳和光生物反应器壁面上可以密封。气体可以流过该双层壁遮盖物，以便实现顶部的可变透光率。优选地，可以在双层壁遮盖物内导流的气体可选自甲烷、丙烷、丁烷或乙烷。该气体在流经方式上，应能够根据外部环境条件，有目标地调节顶部的透光率以及管道***内部的采光。在夏季，或者光线入射较强的情况下，可减小透光率，特别是有害紫外线，以便使光线入射适合光养生物的最佳生长。原则上，也可以提供由玻璃或塑料等材质的板材所制成的双层壁遮盖物。
在一个优选的实施例中，顶部包括一个顶部结构，优选地采用框架结构形式。如果必要，双层壁遮盖物可以布置在该顶部结构上方。此外，该顶部结构优选地应具有用于升降以水平层级方式布置的管道***的装置。在这种情况下，该水平层级结构可包括(稍后将会进行说明)用于管道***的管道保持机构。在结构上应特别有利于在顶部结构上提供钢缆绞盘，以便能够通过钢缆对层级结构或保持机构进行灵活的高度调节，进而调节单个管道或管段的高度。特别是，在该情况下，顶部结构被同时配置为桥式结构，以便能够通过辊子水平移动钢索绞盘。因此，管道***的层级之间的间距能够以一种可变的方式改变，从而使光生物反应器内的管道***的紧凑布置成为可能，以便进行灵活调节，尤其对于管道***的维护情况。在另一个实施例中，在顶部结构上提供了滑架、升降架或类似装置，特别是桥式顶部结构，然后也可以通过辊子进行移动，以确保方便和安全的维护。
培养悬浮液(特别是藻类基质)流经该透明管道***的长度优选地至少达到数公里，更优选地至少到达10公里。为了提供一种循环过程，在一个实施例中，该透明管道***以一种基本上封闭的方式布置。因此，培养悬浮液(例如藻类基质)可以在管道***中连续循环。在该***中，光养生物的培养可以在数天内发生。对于该目的，培养悬浮液特别以一种相应的慢速流经该管道***。优选地，该速度可以根据光养生物的期望生长速度进行调节和控制。该管道***的管道优选地以一种管状方式配置，以实现最佳的流通性。管道的直径优选地至少为70mm，更优选地不超过150mm。优选地，管道材料采用塑料或玻璃。更优选地，采用轻质塑料，特别是带有石墨烯涂层。
培养悬浮液，特别是藻类基质，优选地包括大型藻类和微藻类。大型藻类(例如绒扇藻属)具有特殊的自清洁性，可降低维修成本并且生长效率高，因此是首选藻类。额外的微藻类(例如螺旋藻)有助于增加藻类基质的能量产生。特别是，它们随后仅会以受控数量增长，因为管道内的日光透射会以其他方式受到限制。以组合的培养悬浮液作为藻类基质，由于管道***的自清洁效果，可以提高光生物反应器的效率以及光养生物的生长。
在另一个实施例中，发酵基质的藻类比例优选为30-80％。发酵基质和培养悬浮液可进一步包含其他组分，例如泥浆、特别是来自农业生产的废物以及营养物质，例如蛋白质，以增加生物沼气装置内的甲烷气的生产。
为了能够改进透明管道***的维护，在一个优选的实施例中，该管道***包括可分离的管段。优选地，处于一个水平层级的管段在配置上可彼此分离。管道的可分离管段方案可以实现管道***的逐段维护。因此可以检查和修理各个管段。特别优选地，该管道***在布置上可实现管段分离，并且不会影响整个管道***。为了这个目的，可以提供相应的旁路管道，从而能够维护在管道的同时，基本上不会中断***操作。
在另一个实施例中，透明管道***中的一个或多个层级包括至少一个用于管道***的保持机构。该保持机构优选地以辐条状形式配置，并且在布置方式上，特别是，该保持机构基本上从光生物反应器的内部区域开始向外壳延伸。然后，在将管道***放置于该保持机构的方式上，确保均匀的负荷传递。优选地，在该保持机构上提供能够积极调节管道的导轨。此外，优选地，该保持机构在配置上可以使管道垂直和/或横向偏移。对于该目的，该保持机构包括升高和降低导轨。由于管道的偏移布置，可以减少并列或上下布置的管道的阴影，并因此可以改善整个管道***的采光。在保持机构上以螺旋状布置管道，特别是双螺旋状，也是有利的。
在一个优选的实施例中，该透明管道***的管道，至少在某些区域，以一种刚性和/或摩擦方式可连接到或连接到该保持机构，优选地为辐条状保持机构，优选地通过一种可脱开的锁紧装置。刚性连接可以通过保持机构上的导轨来实现。此外，可以提供一种锁紧装置，特别是一种可脱开的锁紧装置，例如钩环扣件。对于该锁紧装置的布置方式，优选地，该保持机构与管道之间的接触区域配备有一个相应的锁紧装置，例如钩环扣件带。因此，在该管道***的管道与保持机构之间形成了稳固连接，为装配件提供了稳定的结合。因此，整体承载能力得到提升。在另一个实施例中，额外提供了另一种固定构件，例如固定丝、固定带或类似固定物，用于将管道固定到保持机构。然后，该固定构件(例如固定线)可以以一种弹性方式向管道伸展，以便将管道牢固地压入保持机构。因此，这可以改进管道***到保持机构的连接。
在一个优选的实施例中，该透明管道***的层级结构在配置上可水平和/或垂直移动。对于层级结构的水平移动，例如当旋转该层级结构时，该层级结构优选地以一种滚动的方式支承。该层级结构优选地通过一个垂直移动装置垂直移动，例如电动齿条齿轮传动装置。该层级结构的水平和/或垂直可移动性可实现灵活的方向，以获取最佳采光。此外，可移动性增加了维护期间的灵活性。特别有利的是，透光支承构件在配置上可用于水平移动该层级结构。对于该目的，可以在支承构件上提供用于水平转动该层级结构的导轨。
另外，也可以在垂直方向上调节该管道***，并且如果必要，也可调节该管道***的保持机构，尤其是通过液压传动装置。对于该目的，可以在该管道***的层级结构上提供液压缸，以便能够通过光生物反应器外壁部分的主轴传动装置实现垂直调整，并因此改变流经管道的培养悬浮液的流速，例如藻类基质。此外，在该管道***上提供一个可产生机械振动的振动器，以促进培养悬浮液的流过是非常有利的。特别是，这增加了管道***内的流速。
在一个优选的实施例中，该管道***的层级结构通过挠性管段相互连接。特别是，挠性管段在长度上尽可能扩展，以便当水平和/或垂直移动层级结构时确保层级结构之间的稳固连接。
为了实现光生物反应器内管道***的层级结构的特别紧凑的布置，管道***相邻层级之间的间距平均不超过100cm，更优选地不超过80cm。为了在结构上可特别简易地调整层级结构的高度，以及层级之间的间距，管道***的层级结构或管道***的保持机构在配置上优选地可连接到钢缆。因此，管道***的层级结构或保持机构可以连接到钢缆绞盘，如果必要，振动器也可以连接到该钢缆绞盘。优选地，钢缆绞盘设置在顶部结构或桥式顶部结构上。然后，管道***的层级结构可以根据需要有目标地定向和移动。此外，管道内的流速在管道***的每个层级可方便地单独调节，以适合各个层级和区域的不同生长速度的情况。
该管道***各个层级的管道布置优选地使管道以螺旋状水平延伸的方式配置。通过使管道朝流动方向倾斜，可以改进管道内的流动。因此，该管道***的保持机构然后可以具有相应的垂直偏移，以便管道倾斜。假设光生物反应器的直径为22m，垂直偏移优选地为至少10cm，例如20cm。
此外，在另一个实施例中，提供了人工光照，以便采用人工光照的光生物反应器操作。原则上，人工光照可以在外壳的内壁上以一种节省空间的方式设置，就像带有发光二极管的壁纸，特别是有机发光二极管(OLED)。特别有利的是，在透明管道***的管道旁边或管道上提供照明元件，尤其是带有发光二极管(LED)的照明管。这样，可以将目标人工光照引入管道***，而不会导致对光养生物生长有害的热辐射。优选地，照明管布置在垂直偏移管道之间，优选地位于由于管道布置而被遮阴的区域，例如三个分别相邻管道之间的三角区域，特别是管道束形式。照明管可以位于一个分离层(例如铝层)，尤其是膜形式的分离层，例如，该分离层可固定到照明管上。照明管的布置为彼此紧密相邻的管道提供了特别有效的光照，从而减少了管道***的遮阴。此外，在日光入射降低的情况下或在夜间，该照明管可在整体上改善光生物反应器的操作。为了能够进入到该管道***的层级结构中，优选地提供一个垂直进入装置，例如楼梯塔或升降梯或类似装置。在这种情况下，垂直进入装置可具有入口或开口，以便能够连接到内部，特别是该管道***的层级结构。
根据本发明的另一个方面，在外壳的壁面区域至少设置一个透光性支承构件，该支承构件在水平范围内以一种闭合的方式配置，并且优选地，具有一个框架结构。
重要的一点是在生产和组装方面，以一种有利的方式通过提供一个水平连续透光支承构件实现额外光线入射的想法。因此，通过透光性支承构件为外壳提供足够的承载能力和稳定性，并同时从外壳的壁面区域提高光线入射，可以轻松制作光生物反应器的外壳，这样该管道***的下部区域也可以适宜地受到日光照射。
特别地，该水平连续支承构件以一种封闭的方式配置，以确保特别高的稳定性和承载能力。原则上，该透光性支承构件也可以配置为柱状或框架结构。但是，框架结构是特别优选的结构，因为其具有较高的承载能力，并且重量较轻。特别地，支承构件材料采用钢材。
在一个优选的实施例中，支承构件具有异形导轨，以联接到外壳壁面的更远区域。异形导轨优选地设置在支承构件的下端和/或上端。特别地，支承构件以U形配置，这样可以刚性联接到外壳壁面的更远区域。这样，在组装方面，可特别容易实现支承构件与外壳壁面构件之间的连接。在组装过程中，带有异形导轨的支承构件然后可以放置到壁面构件上，例如混凝土构件。然后，更多的壁面构件可以放置到支承构件上。特别有利的是，外壳在配置上大致为圆柱形。因此，透光性支承构件以环形、封闭的方式配置。这样，即使光生物反应器具有较大的空间范围，支承构件也可以实现特别高的稳定性。此外，透光性支承部件可以覆盖有由玻璃或塑料制成的透明遮盖构件，以适当地防止光生物反应器的内部受到外部影响。此外，在外壳的壁面区域上优选地至少提供两个透光支承构件。这也有助于通过垂直进入部件改善各个层级或管段的可达性。
在另一个实施例中，外壳包括像壁面构件一样的混凝土构件。在外壳为大致圆柱状的情况下，该混凝土构件优选地配置为混凝土环。优选地，应使用预应力混凝土材料，这样也可以实现较大的支承距离。在这种情况下，混凝土构件特别地为预制件。由于其重量，混凝土构件具有充足的稳定性，在整体上有利于光生物反应器。在透光性支承构件的布置方面，可以以一种特别有利的方式实现组装。
根据本发明的另一个方面，提出了一种生物沼气装置，其包括一个光生物反应器和一个发酵罐。对于该光生物反应器的基本结构，可参照上述说明。
该生物沼气装置的重要一点是将该光生物反应器与一个发酵罐联接的想法，该发酵罐优选地布置在该光生物反应器的内部。通过以该方式布置发酵罐，在整体上提供了一个紧凑型生物沼气装置。
在一个改进的实施例中，提供了一个用于光生物反应器的温度调节装置，其基本上能够利用发酵罐的热量。这能够以一种高效的方式将发酵罐内发酵所产生的热量用于光生物反应器，以建立适合光养生物生长的最佳环境条件。生物沼气生产过程中所产生的二氧化碳也可方便用于光养生物(例如藻类)的培养。特别有利的是，在光生物反应器的内部中心提供发酵罐。优选地，发酵罐在配置上大致为圆柱形。例如在这种情况下，光生物反应器内的发酵罐的直径为10–30m。
为了实现有效的生物沼气生产，在一个优选的实施例中，该生物沼气装置在配置上将藻类和植物残余物、动物残余物和/或有机废物用作发酵罐的基质。有利地是，发酵残余物适合作为光养生物(特别是藻类)的培养肥料。该残余物的利用提高了生物沼气装置的效率。如果生物沼气装置设置在具有更高人口密度的区域，即特别是城市地区，这是特别有利的，以便在最大程度上减少提供该等残余物和/或废物的开支。
在一个优选的实施例中，为了优化光养生物的生长，发酵罐中产生的二氧化碳和/或残余物，例如发酵残余物，被作为肥料送入光生物反应器的管道***。因此，可以在管道***上提供一个输入装置，例如阀或类似装置，以用于供应二氧化碳或粗气体，例如生物甲烷。特别地，为了保持透明管道的透光性，提供有或以蒸气方式涂布有石墨烯抗菌材料(一种二维石墨材料)的光生物反应器的管道内壁可额外促进光养生物的生长，例如藻类。这可以防止在管道内部上形成污垢和藻类。同时，石墨烯层显著提高了气密性和强度。特别地，光养生物(例如藻类)的培养以及采集过程以一种自动方式执行。
以下将根据附图说明本发明的一个示范实施例。在附图中：
图1是光生物反应器或生物沼气装置的一个示意图；
图2是管道***的一个层级的详图；
图3是可移动层级结构的详图；
图4是管道***的保持机构上的管道示意图；以及
图5是光生物反应器或生物沼气装置的地下室示意图。
根据图1，光生物反应器1包括一个用于培养悬浮液流经的透明管道***(未示出)，优选地带有石墨烯涂层，特别是在管道的内壁，以及一个在一些部位具有透光性的外壳。优选地，该外壳在配置上为圆柱形，并且包括一个壁面区域2，其基本上垂直延伸。该圆柱形的直径优选地介于30–60m之间，例如45m。该圆柱形的高度，即壁面区域2的高度，优选地介于10–30m之间，例如20m。
特别地，外壳的上部区域形成一个透光性顶部3。在该情况下，该顶部3可以配置成圆顶形状，从而有助于日光落入由该外壳形成的内部。在中心，圆顶形顶部3的高度9在壁面区域的高度7上方至少突出1m，特别优选地突出至少3m。顶部3特别地包括一个支承结构4，其被配置为框架结构。图1示出了该支承结构4的一个基本实施例，以便向顶部3施加尽可能小的额外载荷。特别地，顶部3配备有一个透光性遮盖物5，以防止天气的直接影响并尤其防止轻质、挥发性甲烷气体的逸出。
优选地，遮盖物5在配置上用于实现可变的透光率。在这种情况下，遮盖物5可以是一个双层壁遮盖物，例如由聚乙烯构成，具有石墨烯涂层，以便气体流过。该气体可以确保有目标地调节透光率。
在结构和组装方面，通过混凝土构件(例如混凝土环12)形成外壳的壁面区域2是有利的。在该情况下，预制预应力可特别地用作混凝土环12。在一个实施例中，壁面区域2包括透光支承构件，在图1的情况下，这些构件以环形、封闭的方式配置为中间支承环6。特别地，中间支承环6被配置为水平延伸的闭合支承构件，并且在光生物反应器1为大致圆柱状的结构的情况下，向上沿外壳的整个周边延伸。这不仅从外壳的壁面区域提供了均匀的额外日光入射，而且减少了具有这种结构的光生物反应器1的组装工作。此外，在外壳上提供至少两个中间支承环6是有利的。这可以确保管道***的下部区域也可以适宜地受到日光照射。
为了能够进入内部，尤其是透明管道***，优选地提供一个垂直进入装置，例如楼梯塔10或升降梯或类似装置。在这种情况下，可通过开口进入内部，特别是该透明管道***，以进行维修和保养。
根据本发明的另一个方面，光生物反应器1的内部提供有一个发酵罐11，并采用相互联接在一起的方式。将发酵罐11集成到光生物反应器1可以使生物沼气装置特别紧凑并节省空间。优选地，发酵罐11以圆柱状配置，并带有圆顶。发酵罐的直径为10–30m，例如20m。
发酵罐11优选地设置在中心，以便使用温度调节装置将发酵罐的废热用于光生物反应器1的温度调节。此外，生物沼气生产过程中所产生的二氧化碳以及(如果适用的话)其他的残余物，例如发酵残余物可用于光养生物(特别是藻类)的加速生长。
由于发酵罐11集成到光生物反应器1，这样的生物沼气装置也可方便地设在居住区，并且从城市规划观点来看不会造成明显的不利影响。光生物反应器的紧凑型、节省空间的结构有助于该类生物沼气装置避免城市规划限制，尤其在具有较高人口密度的地区。
原则上，也可以在内部提供不带有发酵罐11的光生物反应器1，以专门实现光养生物(例如藻类)的有效生产。此外，也可以在不带有光生物反应器(具有或不具有遮盖物)的简易混凝土环内培养光养生物(例如藻类)，尤其在夏天。
透光性的顶部会在光生物反应器内产生锥形光束，例如直径约为20–25m，这样日光可向下穿透到管道***的较低层级结构。在不具有集成发酵罐11的光生物反应器中，光可以被向下引导至光生物反应器的底部。如果光生物反应器内设置有发酵罐11，以构成生物沼气装置，部分锥形光束会在发酵罐11的圆顶处停止。
该透明管道***优选地由挠性材料制成，例如塑料，以便构成易于操作的管道***。优选地，该管道***中的管道以一种管状方式配置，这样可改进流通性，以便使培养悬浮液(例如藻类基质)以较少的能量消耗流过管道。管道的直径优选地为50-150mm，特别优选地为80-120mm。该透明管道***的长度一般为数公里，例如10公里。由于该透明的管道***，光养生物的培养可以在数天内发生。在藻类的情况下，培养可以在七天内发生，藻类数量增加三倍。该管道***内的培养悬浮液(例如藻类基质)优选地以一种相应的慢速流经管道。光生物反应器1或生物沼气装置内的管道***的层级数量优选地为至少四个层级，特别优选地为至少八个层级。
如图1所示，如果光生物反应器1的内部设置有发酵罐11，以构成生物沼气装置，剩下的空间用于管道***的层级结构。
如图5所示，可在光生物反应器的下方，尤其在地下室32内提供基质储存容器和培养生物(例如藻类)排放装置。相应地，可提供为管道***或发酵装置供料的运输装置。这样，随后可以为光生物反应器或生物沼气装置制备藻类层。
优选地，处于一个层级的管道以螺旋状布置。这些管道可以配置为双螺旋状，并且每个双螺旋状具有若干绕组，例如30个绕组。为了以一种改进的方式将日光引导至管道，这些管道优选地以一种垂直偏移的方式布置。在一个优选的实施例中，层级结构的管段可以相互分离，以便改进维护。
图2示出了透明管道***中带有保持机构15的一个层级。保持机构15优选地包括若干保持构件16，特别是具有用于管道调节的导轨17。导轨17可以垂直偏移方式设置在保持构件上，以保证相邻管道的优化采光。在图2的情况下，保持构件16以辐条状布置在内部框架18周围，以一种节省空间的方式占据基本上呈圆柱形的空间。内部框架18可以与可选的发酵罐11相邻。在外侧，保持构件16可以连接到一个相应的外部框架19。对于该目的，例如，保持构件16可***到U形型材内并胶合在一起。特别地，在该情况下，保持构件16均匀地分布在圆周上，以能够均以支承该层级的透明管道***。例如，保持构件16分别以3°角度定位，这样外侧的支承距离21为115cm。优选地，保持构件16的最大支承距离不超过250cm，特别优选地不超过150cm。
保持构件16优选地由塑料制成，例如硬质泡沫塑料或聚苯乙烯，特别地，保持构件16的下侧由玻璃纤维增强塑料制成，以确保该区域的足够强度。或者或额外地，在保持构件16的下侧提供一个型材，特别是U形轨道，其有助于整体改进保持机构15的稳定性。保持构件16的厚度优选地为20–80mm，特别优选地为40–60mm。
透明管道***特别有利地以两个垂直和横向偏移的管螺旋布置。优选地，相较于相邻的保持构件，各个保持构件16的导轨17以稍微偏移的方式布置。例如，导轨17相对于各个相邻的保持构件的偏移介于15–20mm之间，以便形成螺旋状布置。特别地，相邻管道在布置上可以使管道的中心构成等边三角形。
透光性支承构件，例如外周中间支承环6，优选地包括一个异形导轨(例如U形支承件13)和连接管14构成的框架结构。基本上也可以提供一种柱状或框架结构。特别地，支承构件采用钢材制成。在该情况下，U形支承件13和连接管14优选地焊接到一起，以作为一个复合结构。例如，下部U形支承件13然后可放置于一个混凝土构件的边缘，例如混凝土环12。以同样的方式，另一个混凝土环12可放置在上部U形支承件13上。这样，可以降低装配费用。混凝土构件的边缘也可以为圆形，以改进U形支承件13的放置。
图3示出了一个层级的可移动实施例。对于该目的，外部框架19可具有辊子20，特别是位于外部框架的圆周上。在一个优选的实施例中，辊子20的相应轨道24被设置在中间支承环6上，优选地作为下部U形支承件13的附属物，并因此能够水平移动，即该层级的转动。另外，支承辊子25也可以设置在外部框架19上，尤其由中间支承环6的垂直边支承，以便在转动期间确保该层级结构的稳定导向。因此，可以以一种改进的方式处理一个层级的管道或管段，以便于维护。相应地，内部框架18包括辊子和/或在相应轨道上滚动的支承辊子。对于一个层级，外部框架19上的辊子数量例如可以介于6–18个之间。内部框架18上的辊子数量通常少于外部框架19。
在一个优选实施例中，外部框架19还具有垂直移动层级结构的装置。对于该目的，可在外部框架19上设置一个或多个从动齿轮23，这些齿轮与相应的齿条22啮合，以便使该层级结构垂直移动。对于一个层级，外部框架19上的齿条-齿轮传动装置的数量例如可以介于6–18个之间。在这种情况下，在内部框架18上可以设置较少的齿条-齿轮传动装置，例如一半数量。
在一个优选的实施例中，层级结构可移动到透光性支承构件的高度，即例如中间支承环6。特别地，中间支承环6然后配备有用于层级结构转动的轨道。因此可以简化出于维护目的而使透明管道***易于进入的结构设计。在这种情况下，首先将一个层级垂直移动到最近的中间支承环6。然后，可以转动该层级并能够接近所需的管道或管段，以进行维护。该电平可以以这样的方式被旋转一个期望的管件或管段是用于维护访问。在另一个实施例中，可以设置一个延伸臂，从而在安装或拆卸管道时改进操作。特别有利的是，在外壳的壁面区域2提供至少两个中间支承环6。该结构有助于减少层级结构的移动，以便从中间支承环6进入。由于该层级结构的层级之间优选地具有最小的间距，因此可以减少所需的总体结构高度。在与两个中间支承环6分离的情况下，该结构高度通常可降低一半。例如，各个层级之间的最小间距至少为0.4m。中间支承环6的高度一般不超过100cm，更优选地不超过70cm。
特别地，中间支承环6的轨道24优选地以一种在某些部位可以被打开的方式配置。例如，通过旋转打开或延长轨道段的方式可以中断轨道。在垂直移动期间，位于外部或内部框架上的凸出辊子20可以以这种方式穿过轨道。在垂直移动之后，可以关闭轨道，以便通过辊子20将该层级置于封闭轨道上。为了能够使层级结构转动，齿条22与齿轮23可以脱开。充满液体的一个管道层级的重量例如介于5–30吨之间。特别地，为层级机构提供一种机械驱动的转动装置和/或升降装置是有利的。
图4示意性示出了管道26在管道***保持机构15上的布置。如图4所示，管道26在布置上可以使各个管道26的中心形成一个等腰三角形。管道26被容纳在保持构件16的垂直偏移导轨内。特别地，照明元件27，例如带有LED灯或类似装置，被布置在垂直偏移管道26之间。在这里，照明元件27位于下部管道26，并因此处于在特定程度上受到遮阴的区域。因此，该遮阴区域可以被特别照亮。
通过至少在某些区域将管道26以一种刚性和/或摩擦方式连接到保持构件16，可以实现管道***与保持机构15之间的特别稳定的接合。对于该目的，可以提供将管道26牢固地连接到保持机构15的紧固构件。在图4的情况下，提供了一种夹紧装置26，其在管道周围拉紧并通过孔眼固定到保持构件16上。原则上，也可以提供固定丝或类似装置作为紧固构件。优选地，管道26与保持构件之间的接触区域还包括一个锁紧装置，以实现管道***与保持构件15之间的牢固连接。优选地采用一种可脱开的锁紧装置，因为该装置还可以确保管道***的灵活维护。这里，接触区域设置了一个钩环扣件31，以作为可脱开的锁紧装置，即基本上位于保持机构15的导轨17内。因此，管道***与保持机构之间的接合得到改进，并且整体承载能力得到提升。
在保持构件16的下部设置一个加强构件28，在结构上也是有利的。加强构件28优选地采用比保持构件16的其他部件更坚固的材料。因此，保持构件16原则上可采用一种轻质塑料，例如聚苯乙烯，而加强构件28采用玻璃纤维增强塑料或石墨烯。以导轨形式配置加强构件28，特别是U形型材也是有利的，以保证保持机构15具有足够的稳定性和强度，并减轻重量。
图5示意性示出了光生物反应器或生物沼气装置的地下室32，其特别地被配置为地下室层级。地下室可分为不同的段，以便提供光生物反应器或生物沼气装置的不同功能。在生物沼气装置的情况下，特别有利的是，将所有更多的装置组件(例如储存区域、罐、泵、供料设备和/或采集装置)布置在光生物反应器的下面，特别是地下室内32。这能够以一种特别节省空间的方式布置装置组件。此外，这可以实现封闭的装置，除了降低空间要求之外，也不同于引言中所描述的现有技术，特别地可以遏制环境影响，例如空气污染或噪声。这也改进了光生物反应器或生物沼气装置的消防和交通安全。此外，因为可方便使用当地区域的生物废料，这还显著降低了生物基质运输所产生的费用。
为了降低火灾危险，光生物反应器或生物沼气装置优选地配备有灭火***。后者优选地在配置上至少可以将光生物反应器内所引流的水部分地用作灭火剂。因此，至少可以在管道***上设置一个输出装置，例如阀、喷嘴、喷水器或类似装置。特别优选地，在管道***的每个层级上设置一个输出装置。在火灾的情况下，光生物反应器的管道***内所引流的液体(例如水)可部分地大量释放。另外，在封闭***中也可以释放储存的氮气，例如来自氮气瓶，以实现灭火目的。特别有利的是，为自动操作配置灭火***。
发酵罐11的机房44优选地设置在地下室32的中心。特别地，其包括用于发酵罐11内部搅拌的搅拌器34。搅拌器34特别地由电机驱动。为了实现特别节省空间的布置，搅拌器34或电机可设置在地下室的顶部。
此外，地下室32可包括藻类等储存区域33、浆料等储料罐37、泵等机房38和工作人员室39。优选地，在地下室提供装料装置，例如散料装置41。这可以实现从外部快速运送，特别是使用货车42。进入路径35可确保进入地下室32。
为了能够将储存的材料从储存区域33或储料罐37输送到发酵罐11，取决于所输送的材料，可以提供输送管道36或输送装置43，例如螺旋输送机。
优选地，光生物反应器包括至少一个旁路或旁通口，以用于取出培养的光养生物，例如藻类。优选地，在管道***的每一层级设置一个旁路或旁通口。随后进行光养生物的完全取出，特别在地下室取出。优选地，提供一种用于取出的采集装置，其在配置上可以取出培养的光养生物(例如藻类)并将其分为多类基质。分类的初期藻类然后被分别送入管道***，以进行生长循环。由于管道***，特别是水***形式，优选地以一种封闭方式配置，以便将所需的泵送能量保持在较低水平，管道***中的采集装置在布置上可以使旁路逐段打开。因此，培养的藻类可以送入旁路，以便通过采集装置进行采集。在地下室内提供采集装置是有利的，例如制备室40。
为了为光养生物的培养提供尽可能最佳的条件，为生物沼气装置提供一种两级或多级发酵罐是特别有利的。然后，发酵罐的各个层级可以以一种特别紧凑的方式上下或并列布置。
在本发明的另一个实施例中，透明管道***包括一个进料和/或排放管，其优选地以一种承重方式集成在管道***内。优选地，进料和/或排放管具有3cm–至少6cm的横截面。作为进料管，该管道在配置上应特别可以使已处理的水(例如富含酶或营养物)供给到透明管道***。这相应地提高了光养生物的生长。作为排放管，该管道在配置上应特别可以使不需要的水(例如废水或被更换的水)从透明管道***内排出。相应地，应防止该管道***变脏或阻塞。
进料和/或排放管的布置优选地设置在管道***的管道中间，这些管道基本上布置成相对于彼此的三角形。管道的三角形布置在图4中是显而易见的，其中可以用进料和/或排放管代替照明管27或额外提供进料和/或排放管。为了提高管道***的承重功能，将进料和/或排放管牢固地连接到管道***，从而形成稳定的组件是特别有利的。对于该目的，如前所述，可以提供紧固件，例如塑料或金属薄板夹片或夹具，并可以选择使用线夹或钩环扣件辅助。进料和/或排放管特别由坚固塑料制成，例如聚氯乙烯、铝材或钢材。在另一个实施例中，提供了管道***的状态监测***，其能够监测各个层级的管道的状态。因此可特别确保循环状管道***不会被过多污垢阻塞，或光养生物的生长不会受到影响。
将进料和/或排放管同时用作照明管27是特别有利的。对于该目的，可以在进料和/或排放管上提供照明装置，例如发光二极管(LED)，特别优选地配置为一个表层，以便使光线照射到整个表面。这可以照亮光生物反应器管道***的遮***位。
此外，以螺旋形布置的管道直径用于水管理，正如地下室内可能现有的处理池、泵以及光生物反应器管道***上的入口及出口阀。它们在配置上优选地可实现自动监控和调节。
引用数字
1  光生物反应器
2  壁面区域
3  顶部
4  支承结构
5  顶部遮盖物
6  中间支承环
7  2高度
8  1的直径
9  3的高度
10 楼梯塔
11 发酵罐
12 混凝土环
13 U形支承件
14 连接管
15 保持机构
16 保持构件
17 导轨
18 内部框架
19 外部框架
20 辊子
21 支承距离
22 齿条
23 齿轮
24 轨道
25 支承辊子
26 管道
27 照明管
28 加强构件
29 孔眼
30 夹紧装置
31 钩环扣件
32 地下室
33 储存区
34 搅拌器
35 进入路径
36 输送管道
37 储料罐
38 机房
39 工作人员室
40 制备室
41 散料装置
42 货车
43 输送装置
44 11的机房

Claims (21)

1.一种用于光养生物(特别是藻类)培养的光生物反应器，包括一个用于培养悬浮液(特别是藻类基质)流过的透明管道***，其特征在于：该透明管道***以层级方式配置。
2.根据上述任一权利要求所述的该光生物反应器，其特征在于：具有一个外壳，该外壳的一些部位具有透光性，优选地包括一个透光性顶部(3)。
3.根据上述任一权利要求所述的该光生物反应器，其特征在于：该顶部(3)在配置上用于实现可变的透光率，并且优选地具有一个双层壁结构，以便气体或可磁化液体(特别地含有金属微粒)流过，其中该双层壁结构更优选地具有石墨烯涂层，优选地可通过可磁化液体改变石墨烯层的透光性。
4.根据上述任一权利要求所述的该光生物反应器，其特征在于：该外壳，特别是其壁面区域(2)至少有一个透光性支承构件(6)，和/或该外壳，特别是其壁面区域(2)有一个或多个混凝土构件(12)。
5.根据上述任一权利要求所述的该光生物反应器，其特征在于：该透明管道***以一种封闭方式配置，以便提供一个流通过程，并且优选地，该管道***的长度延伸至少数公里。
6.根据上述任一权利要求所述的该光生物反应器，其特征在于：该透明管道***具有可分离的管段，和/或该管道***的内表面具有石墨烯涂层。
7.根据上述任一权利要求所述的该光生物反应器，其特征在于：该透明管道***至少有一个层级包括一个用于管道的保持机构(15)，并且优选地，该保持机构(15)基本上以辐条状布置。
8.根据上述任一权利要求所述的该光生物反应器，其特征在于：该保持机构(15)在配置上可以使管道垂直偏移和/或横向偏移，并且优选地在下部区域设置一个加强构件。
9.根据上述任一权利要求所述的该光生物反应器，其特征在于：该透明管道***的管道，至少在某些区域，以一种刚性和/或摩擦方式可连接到或连接到保持机构，优选地通过一种可脱开的锁紧装置。
10.根据上述任一权利要求所述的该光生物反应器，其特征在于：该管道***的至少一个层级或管道的保持机构在配置上可横向和/或垂直移动，并且优选地，在顶部布置用于横向和/或垂直移动的装置。
11.根据上述任一权利要求所述的该光生物反应器，其特征在于：至少具有一个垂直进入装置(10)用于进入内部，特别是进入管道***的层级机构。
12.根据上述任一权利要求所述的该光生物反应器，其特征在于：透明管道***包括一个进料和/或排放管，其优选地以一种承重方式集成在管道***内。
13.特别是用于培养光养生物(特别是藻类)的光生物反应器内的一种透光性支承构件(6)的布置，其中该支承构件保持在光生物反应器的外壳的壁面区域，其特征在于：该支承构件在水平范围内以一种闭合的方式配置，并且优选地具有一个框架结构。
14.根据上述权利要求所述的布置，其特征在于：该支承构件(6)的高度不超过100cm，更优选地不超过70cm。
15.根据上述任一权利要求所述的布置，其特征在于：该支承构件具有异形导轨，特别地设置在其下端和/或上端，以连接光生物反应器外壳壁面的更远区域。
16.根据上述任一权利要求所述的用于生物沼气生产的带有光生物反应器(1)的一种生物沼气装置，以及优先地布置在光生物反应器内部的发酵罐(11)。
17.根据上述权利要求所述的该生物沼气装置，其特征在于：该光生物反应器具有一个温度调节装置，其能够利用发酵罐(11)的热量，和/或该发酵罐以一种两级或多级方式布置，优选地各个层级采用上下或并列式布置。
18.根据上述任一权利要求所述的该生物沼气装置，其特征在于：所有装置组件，例如储存区域、罐、泵、供料设备和/或采集装置布置在光生物反应器的下面，特别是地下室内(32)。
19.根据上述任一权利要求所述的该生物沼气装置，其特征在于：设置有灭火***，其特别以一种液体导流方式连接到管道***的闭式循环，并且优选地以一种可以将管道***内导流的液体用作灭火剂的方式配置，其中更优选地，至少为管道***的每个层级提供一个输出装置，特别是阀、喷嘴、喷水器或类似装置。
20.根据上述任一权利要求所述的该生物沼气装置，其特征在于：该管道***包括至少一个输入装置，特别是阀或类似装置，以用于供给二氧化碳或粗气体，特别是生物甲烷，优选地采用一种在管道***的每一层级设置该输入装置的方式。
21.根据上述任一权利要求所述的该生物沼气装置，其特征在于：该管道***包括至少一个旁路或旁通口，以用于取出培养的光养生物，例如藻类，优选地采用在管道***的每一层级设置一个旁路或旁通口的方式，并且更优选地，在地下室进行光养生物的完全取出。
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