WO2009043763A1 - Open-air photobioractor - Google Patents

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WO2009043763A1
WO2009043763A1 PCT/EP2008/062713 EP2008062713W WO2009043763A1 WO 2009043763 A1 WO2009043763 A1 WO 2009043763A1 EP 2008062713 W EP2008062713 W EP 2008062713W WO 2009043763 A1 WO2009043763 A1 WO 2009043763A1
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WO
WIPO (PCT)
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freiluftphotobioreaktoren
light
leds
moldings
luminescent
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/062713
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German (de)
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Inventor
Harald Voit
Christoph MÜLLER-REES
Günter Wich
Original Assignee
Wacker Chemie Ag
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/02—Form or structure of the vessel
    • C12M23/18—Open ponds; Greenhouse type or underground installations
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/26—Constructional details, e.g. recesses, hinges flexible
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/56—Floating elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M31/00—Means for providing, directing, scattering or concentrating light
    • C12M31/02—Means for providing, directing, scattering or concentrating light located outside the reactor
    • C12M31/06—Lenses
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M31/00—Means for providing, directing, scattering or concentrating light
    • C12M31/10—Means for providing, directing, scattering or concentrating light by light emitting elements located inside the reactor, e.g. LED or OLED

Definitions

  • the invention relates to outdoor photobioreactors with artifi- ziellen radiation sources.
  • Outdoor photobioreactors are used in particular for the mass production of microalgae and macroalgae, photosynthetic bacteria, mosses or other plant cell cultures. Such microalgae and cyanobacteria are able to transform into biomass with the help of light energy, CO2 and water (photosynthesis).
  • Microalgae can be divided into different classes. The four main classes are Bacillariophyceae (Diatoms), Chlorophyceae (Green algae), Cyanophyceae (Blue algae) and Chrysophyceae (Gold algae).
  • Bacilliophyceae and Chrysophyceae fix CO2 in the form of carbohydrates and natural oils. Blue algae fix not only CO 2 but also nitrogen from the atmosphere.
  • CO2 as a carbon source for algae cultivation can be fed into the photobioreactor as air, as CO2-enriched air, as CO 2 -containing exhaust gas or as pure CO 2.
  • Such photobioreactors can also be used for CO 2 removal from exhaust gases.
  • the mass production of algal biomass as a food, renewable energy or chemical raw material is carried out today, preferably in shallow-water algae farms or open bioreactors with the exclusive use of direct sunlight due to the relatively high compared to product value electricity costs. Due to the robustness of algae used for mass production, their handling is possible in open basins or within floating boundaries delineated by pontoons or buoys and does not require a closed reactor.
  • the open bioreactors generally consist of large open shallow basin systems, eg circular pool systems with diameters of up to 45 m, and rotating mixing arms or large open flat channel loops with recirculating propellers.
  • WO-A 91/18970 the illumination of algae reactors by means of LEDs or lasers is known.
  • WO-A 2007/070452 describes panels populated with LEDs as light sources for photobioreactors.
  • JP-A 10-98964 describes acrylic glass cylinders equipped with LEDs as a light source for illuminating tanks with algae cultures.
  • From JP-A 2002-315569 equipped with LEDs acrylic glass sheets are known as a light source for algae cultures.
  • LED luminous bodies which are enclosed in flexible, transparent materials, in particular acrylate-based, are used in JP-A 11-89555 as light sources for the cultivation of algae.
  • JP-A 2000-325073 describes a two-part tank for algae rearing, which is divided by means of a transparent and equipped with LEDs acrylic plate.
  • JP 2007-040176 describes the use of wind turbines for energy supply of algae rearing.
  • the radiation sources used for the light entry should also be provided in a form that protects the luminous body effectively against environmental influences.
  • the invention relates to outdoor photobioreactors with artificial radiation sources, characterized in that as radiation sources one or more of the group containing equipped with LEDs molded parts, light guides, luminescent
  • Moldings are used, which are arranged in the interior of the reactor.
  • the outdoor photobioreactors can have any desired shape.
  • open-air outdoor bioreactors for example, rectangular tubs, round basins, or basins completely or partially recessed in the ground are conceivable.
  • the side walls or bottoms of the reactors may be made of any materials, translucent or non-transparent. For example, made of metal or plastic.
  • the outdoor photobioreactors can also be built in inland waters or on the open sea. Again, any shape shapes are possible.
  • the side walls or bottoms of the reactors may be rigid or flexible, for example
  • Foil be executed.
  • any materials such as metal or plastic can be used.
  • the side walls can be firmly anchored in the ground or formed floating in the form of films.
  • the bottom surfaces may be formed by the sea or seabed or rigidly connected as a foil with floating side walls.
  • sides and / or bottom surfaces can be formed by a filter medium which is a transport barrier for the algae but is permeable to water, air or CO2.
  • the dimensioning is arbitrary and can be of side lengths or diameters of a few meters up to 100 m, preferably up to 30 m. While the depth of the outdoor bioreactors will generally not exceed 1 to 2 meters, the depth of the reactors when installed in inland waters or at sea is less limited. Depths of one meter to 100 meters are conceivable, preferably depths of up to 30 meters.
  • the anchoring of the outdoor photobioreactors preferably takes place on masts, piers, buoys, pontoons or even offshore platforms, which at the same time take over carrier function for renewable energy generation systems, such as photovoltaic or wind energy, and possibly energy storage systems.
  • the outdoor photobioreactor may also be limited by the tanks of large tankers.
  • these are preferably height-adjustable for anchoring by means of tension, fixed to water-based boundary walls or supports firmly anchored in the ground.
  • the intermediate support of large areas takes place in tidal waters, preferably on floating buoys or pontoons.
  • the outdoor photobioreactors may be open or covered with, preferably transparent, sheets or plates. Also suitable as a cover are floating films with integrated Fresnel lenses and light guides arranged thereon. Also suitable are films which are coated with a thin photovoltaic layer or films of organic photovoltaic material. The energy thus collected during the day can be passed on to LED moldings via a storage medium.
  • the light entry into the outdoor photobioreactor takes place in addition to the sun's rays by means of artificial radiation sources, It can be fitted with LEDs molded parts.
  • Suitable LEDs are radiation-emitting semiconductor components of organic or inorganic semiconductors.
  • the LEDs may already be plastics, usually silicon, encapsulated diodes or unencapsulated diodes.
  • the LEDs can radiate in the infrared range, in the visible range or in the UV range. The choice depends on the intended applications. For photosynthesis in outdoor photobioreacto- LEDs are preferred which radiate in the visible range, in particular red light.
  • the embedded in the Formkorper LED Leuchtkorper can emit at the same wavelength. However, it is also possible to combine LED illuminants with different radiation characteristics.
  • a plurality of LED luminous bodies are conductively connected to one another, connected in series and / or in parallel.
  • the luminous element arrangement can be connected to sensors as well as to measuring / control devices.
  • the number of luminous bodies and their arrangement to each other depends on their application.
  • the LED luminaires can be operated continuously or pulsed.
  • the molded parts fitted with LEDs can be made of any desired materials which are transparent at the irradiated wavelength.
  • thermoplastic or thermosetting plastics such as acrylic glass, polyethylene, polypropylene, PVC, polyamides, polyesters such as PET.
  • LED silicone molded parts as described in DE-A 102007025749. Their disclosure in this regard should also be the subject of this application (incor porated by reference).
  • the LEDs are embedded in a silicone matrix formed of an inner soft silicone matrix surrounded by one or more harder silicone materials.
  • Suitable sources of artificial radiation are also light guides.
  • a light guide is a fiber made of a transparent, light-transmitting material, usually glass or plastic, which is the Transport of light or infrared radiation is used.
  • Examples of light guides are optical waveguides, glass fibers, polymeric optical fibers or other light-conducting components made of plastic and fiber optic components.
  • phosphorescent light guides which can store light for many hours, and can deliver the sunlight absorbed during the day during the night.
  • the light guides are equipped so that the light is emitted evenly over the entire extent of the light guide.
  • the optical fibers may be equipped with a lens, such as a Fresnel lens, to focus and amplify the light prior to being introduced into the optical fiber.
  • the use of optical fiber moldings as a radiation source in addition to LED moldings is advantageous during operation during the day.
  • thermoplastic silicone elastomers In the light guides, those based on thermoplastic silicone elastomers (TPSE) are preferred.
  • Thermoplastic silicone elastomers contain an organopolymer fraction, for example polyurethane or polyvinyl ester, and a SiIi- conanteil, usually based on polydialkylsiloxane-based of the above specification.
  • Suitable thermoplastic silicone elastomers are commercially available, for example the corresponding Geniomer R types from Wacker Chemie.
  • the light guides on the head with a Fresnel lens preferably with up to 1000-fold sunlight gain, equipped and direct the light in the depth of the open-air photobioreactor.
  • a Fresnel lens preferably with up to 1000-fold sunlight gain
  • suitable shaping for example via prisms, the light can be emitted evenly to the environment.
  • the light guides are combined with floating films which are equipped with integrated Fresnel lenses.
  • the light guides are placed on the underside of the foils and guide the light captured by the Fresnel lens down into the depth.
  • Another preferred embodiment is also films with integrated LEDs.
  • the shape of the LED moldings and the light guide is arbitrary. They can be in the form of hoses, as bands, as tubes, as rods, as plates, as prisms or in the form of mats. Plates, mats or tapes are, in particular in the case of LED moldings as a radiation source, preferably used to equip the inner walls of the outdoor photobioreactor with radiation sources.
  • the design in the form of tubes, rods, prisms or hoses lends itself to the installation of radiation sources in the reactor interior.
  • a plurality of LED molded parts which are flowed around by the reactor contents and formed, for example, as tubes, hoses or plates, can be combined as tube, hose or plate bundles to form light fixtures.
  • the luminous bodies may be arranged offset to one another in such a manner (for example, twisted) that they illuminate the surrounding space completely and homogeneously.
  • the outdoor photobioreactor may also contain LED moldings in tubes or plate form, through which the reactor contents flow. Several tubes or plates can be combined to form tube bundles.
  • the dimensioning of the LED molded parts or the optical fiber molded parts is arbitrary and can be adapted to the reactor size.
  • the artificial radiation sources can be permanently installed in the open-air photo bioreactor.
  • the radiation sources are preferably arranged in a large number of tensions in a net shape. With such an arrangement, large areas can evenly illuminate up to water depths of several meters to 100 meters.
  • the corner points of the tension can be fixed to pylons or pillars anchored firmly in the ground, to pelvic or tank walls constructed in terms of hydraulic, deep, high, apparatus or shipbuilding, or to buoys or pontoons anchored in a floating manner. Preference is given to using molded parts equipped with LEDs in combination with light guides and / or luminescent shaped parts.
  • the distance between the LED moldings and / or the optical waveguide moldings can be increased by supporting light distribution in the interior of an open-air photobioreactor with luminescent shaped parts, for example luminescent light-carrier particles.
  • luminescent silicone floats Preference is given to luminescent silicone floats with set optimum wavelength and minimal density difference to the aqueous medium.
  • These luminescent silicone floats preferably consist of one or more luminescent substances in a silicone matrix of, for example, thermoplastic silicone elastomers as described in EP 1412416 Bl or EP 1489129 B1.
  • Such luminescent light carrier particles circulate in the open-air photobio reactor, charging with light at the water surface, sinking down and emitting the light in depth.
  • the light input alone or in combination by luminescent moldings or films is possible, which led mechanically ü- via a drive, transport light from the water surface in the depth.
  • Luminescent light carrier particles can also be passed through an external loop for charging the light.
  • an artificial radiation source and only luminescent moldings in particular luminescent floating body can be used.
  • the outdoor photobioreactor is equipped with facilities for filling nutrients and supplying CO 2 containing gases.
  • Other devices are those for product separation, for example by means of pumps or rakes, and emptying.
  • Suitable CO 2 sources are air, air enriched with CO 2, CO 2 -containing exhaust gas or pure CO 2.
  • the CO 2 -containing gases for example air or CO 2 -containing exhaust air
  • the CO 2 -containing gases are added from below into the open-air photobioreactor, distributed over the surface. Due to the higher, surface-saving design of the open-air photobioreactors, in the case of air introduced at the bottom, CO 2 -containing air or A longer gas residence time is set for the CO2 (the rate of ascent of the gas bubbles remains the same), which results in a significantly better CO2 enrichment or utilization.
  • a deeper pool reduces or prevents the evaporation loss of water, which is particularly advantageous in low-water (arid) offshore regions of the earth.
  • the combination of equipped with artificial radiation sources Freiluftphotobioreaktoren with plants for regenerative power generation is particularly preferred.
  • the outdoor photobioreactors are supplied with decentralized, directly to the reactors, generated electricity from photovoltaic systems, wind turbines or tidal power plants.
  • the combination with systems for day / night power storage is preferred, thereby reducing the dependence on direct sunlight.
  • photovoltaic current is preferred, which is particularly preferably produced by high power solar cells supplied with sunlight supplied by Fresnel lenses up to more than 1000 times.
  • the combination of outdoor photobioductors with offshore wind farms is used with a water depth of a few meters to a few 10 meters for installing the outdoor photobioreactors, and the masts of the wind turbines for the fixed points of the side walls and net-like strain of the LED molded parts and optical fibers or the films are used with integrated LEDs or optical fibers.
  • the optimized constructive arrangement of a large number of LED moldings and / or light guides, evenly distributed over large open-air photobioreactors, for example algae farms, enables economical mass production of algae biomass.
  • LED moldings a variety of LEDs can be summarized to reactor light fixtures, which thus enables optimal illumination of an algae farm and increase the area yield economically.
  • the open-air photobioreactors can be used for autotrophic and heterotrophic mass production of algae biomass, as well as for
  • the algae biomass produced in this way is suitable as an energy raw material, chemical raw material, foodstuff, and for use in cosmetic and medical applications.
  • FIGS. 1 to 2 The invention is explained by way of example in FIGS. 1 to 2:
  • FIG. 1 Freiluftphotobioreaktor, in the embodiment of a high-performance algae farm, with LED moldings and light guides with Fresnellinsenkopf in alternation, net-like spanned between pontoons as a high-performance photovoltaic module carrier and Energyspeieher.
  • Figure 2 Freiluftphotobioreaktor, in the embodiment of a high-performance algae farm, with LED moldings and light guides with Fresnellinsenkopf in alternation, net-like spanned between the masts of an offshore wind farm as a generator carrier and energy storage.

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Abstract

The invention relates to open-air photobioreactors comprising artificial radiation sources. Said photobioreactors are characterized in that one or more parts from the group encompassing molded articles equipped with LEDs, optical waveguides, and luminescent molded articles which are arranged inside the reactor are used as radiation sources.

Description

Freiluftphotobioreaktor Outdoor photobioreactor
Die Erfindung betrifft Freiluftphotobioreaktoren mit artifi- ziellen Strahlungsquellen.The invention relates to outdoor photobioreactors with artifi- ziellen radiation sources.
Freiluftphotobioreaktoren werden insbesonders zur Massenproduktion von Mikroalgen und Makroalgen, von photosynthetischen Bakterien, von Moosen oder anderen Pflanzenzellkulturen eingesetzt. Derartige Mikroalgen und Cyanobakterien sind in der La- ge, mit Hilfe von Lichtenergie, CO2 und Wasser in Biomasse umzuwandeln (Photosynthese) . Mikroalgen können in verschiedene Klassen eingeteilt werden. Die vier wichtigsten Klassen sind Bacillariophyceae (Diatoms) , Chlorophyceae (Grünalgen) , Cya- nophyceae (Blaualgen) und Chrysophyceae (Goldalgen) . Bacilla- riophyceae und Chrysophyceae fixieren CO2 in Form von Kohlenhydraten und natürlichen Ölen. Blaualgen fixieren neben CO2 auch Stickstoff aus der Atmosphäre. CO2 als Kohlenstoffquelle für die Algenkultivierung kann dabei als Luft, als mit CO2 angereicherte Luft, als Cθ2-haltiges Abgas oder als reines CO2 in den Photobioreaktor zugeführt werden. Solche Photobioreaktoren können auch zur Cθ2~Entfernung aus Abgasen eingesetzt werden.Outdoor photobioreactors are used in particular for the mass production of microalgae and macroalgae, photosynthetic bacteria, mosses or other plant cell cultures. Such microalgae and cyanobacteria are able to transform into biomass with the help of light energy, CO2 and water (photosynthesis). Microalgae can be divided into different classes. The four main classes are Bacillariophyceae (Diatoms), Chlorophyceae (Green algae), Cyanophyceae (Blue algae) and Chrysophyceae (Gold algae). Bacilliophyceae and Chrysophyceae fix CO2 in the form of carbohydrates and natural oils. Blue algae fix not only CO 2 but also nitrogen from the atmosphere. CO2 as a carbon source for algae cultivation can be fed into the photobioreactor as air, as CO2-enriched air, as CO 2 -containing exhaust gas or as pure CO 2. Such photobioreactors can also be used for CO 2 removal from exhaust gases.
Die Massenproduktion von Algenbiomasse als Nahrungsmittel, nachwachsender Energie- oder Chemierohstoff wird wegen der im Vergleich zum Produktwert verhältnismäßig hohen Stromkosten heute bevorzugt in Flachwassser-Algenfarmen oder offenen Bioreaktoren unter ausschließlicher Nutzung der direkten Sonnenlichteinstrahlung durchgeführt. Aufgrund der Robustheit von für die Massenproduktion eingesetzter Algen, ist deren Handha- bung in offenen Becken oder innerhalb, von durch Pontons oder Bojen abgegrenzten, schwimmenden Begrenzungen möglich und erfordert keinen geschlossenen Reaktor. Die offenen Bioreaktoren bestehen im allgemeinen aus großen offenen flachen Beckenanlagen, z.B. Rundbeckenanlagen mit Durchmessern bis zu 45 m, und umlaufenden Mischarmen oder großen offenen flachen Gerinneschleifen mit Umwälzpropellern. Die Sonnenlichtabsorption im Süß-, Salz- oder Meerwasser erlaubt aber nur kurze Lichtweglängen von wenigen Zentimetern bis Dezimetern und erfordert daher für die Massenproduktion einen sehr grossen Flächenbedarf der Algenfarmen, da mit zunehmender Tiefe die Lichteinstrahlung abnimmt und man daher nur mit relativ flachen Becken arbeiten kann. Da außerdem die Algen in der Nacht, mangels Sonnenlichteinstrahlung, ihre Photosyntheseaktivität einstellen und durch ihren Respirationsstoffwechsel bis zu 30 % der tagsüber gebildeten Biomasse wieder veratmen, wird der Nettoflächenertrag zusätzlich begrenzt.The mass production of algal biomass as a food, renewable energy or chemical raw material is carried out today, preferably in shallow-water algae farms or open bioreactors with the exclusive use of direct sunlight due to the relatively high compared to product value electricity costs. Due to the robustness of algae used for mass production, their handling is possible in open basins or within floating boundaries delineated by pontoons or buoys and does not require a closed reactor. The open bioreactors generally consist of large open shallow basin systems, eg circular pool systems with diameters of up to 45 m, and rotating mixing arms or large open flat channel loops with recirculating propellers. The sunlight absorption in fresh, salt or sea water but allows only short light path lengths of a few centimeters to decimeters and therefore requires for mass production a very large area requirement of algae farms, as with increasing depth, the light radiation decreases and you can therefore work only with relatively shallow pools , In addition, since the algae stop their photosynthetic activity during the night due to the lack of sunlight, and their respiratory metabolism causes up to 30% of the biomass produced during the day to breathe again, the net yield is additionally limited.
Aus der WO-A 91/18970 ist die Ausleuchtung von Algenreaktoren mittels LEDs oder Lasern bekannt. Die WO-A 2007/070452 beschreibt mit LEDs bestückte Panels als Lichtquellen für Photo- bioreaktoren . In der JP-A 10-98964 werden mit LEDs bestückte Acrylglaszylinder als Lichtquelle zur Ausleuchtung von Tanks mit Algenkulturen beschrieben. Aus der JP-A 2002-315569 sind mit LEDs bestückte Acrylglasscheiben als Lichtquelle für Algenkulturen bekannt. LED-Leuchtkörper, welche in flexible, trans- parente Materialien, insbesondere auf Acrylatbasis, eingeschlossen sind, werden in der JP-A 11-89555 als Lichtquellen zur Kultivierung von Algen eingesetzt. Die JP-A 2000-325073 beschreibt einen zweigeteilten Tank zur Algenaufzucht, welcher mittels einer transparenten und mit LEDs bestückten Acrylplatte geteilt wird. In der GB 2226891 und der US 2005/0135104 werden die Lichtquellen in transparenten Behältnissen eingeschlossen und zur Beleuchtung unter Wasser eingesetzt. Die JP 2007-040176 beschreibt den Einsatz von Windkraftanlagen zur Energieversorgung der Algenaufzucht.From WO-A 91/18970 the illumination of algae reactors by means of LEDs or lasers is known. WO-A 2007/070452 describes panels populated with LEDs as light sources for photobioreactors. JP-A 10-98964 describes acrylic glass cylinders equipped with LEDs as a light source for illuminating tanks with algae cultures. From JP-A 2002-315569 equipped with LEDs acrylic glass sheets are known as a light source for algae cultures. LED luminous bodies, which are enclosed in flexible, transparent materials, in particular acrylate-based, are used in JP-A 11-89555 as light sources for the cultivation of algae. JP-A 2000-325073 describes a two-part tank for algae rearing, which is divided by means of a transparent and equipped with LEDs acrylic plate. In GB 2226891 and US 2005/0135104 the light sources are enclosed in transparent containers and used for illumination under water. JP 2007-040176 describes the use of wind turbines for energy supply of algae rearing.
Es bestand daher die Aufgabe, Freiluftphotobioreaktoren zur Verfügung zustellen, mit möglichst gleichmäßigem Lichteintrag im Reaktorvolumen, und gleichmäßigem Lichteintrag unabhängig von der Tages- und Jahreszeit, um damit den Flächenertrag zu steigern. Die für den Lichteintrag eingesetzten Strahlungsquellen sollten dabei auch in einer Form zur Verfügung gestellt werden, welche die Leuchtkörper wirksam vor Umwelteinflüssen schützt . Gegenstand der Erfindung sind Freiluftphotobioreaktoren mit ar- tifiziellen Strahlungsquellen, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungsquellen ein oder mehrere aus der Gruppe enthaltend mit LEDs bestückte Formteile, Lichtleiter, lumineszierendeIt was therefore an object to provide Freiluftphotobioreaktoren available, with the most uniform light input in the reactor volume, and uniform light input regardless of the time of day and season, in order to increase the area yield. The radiation sources used for the light entry should also be provided in a form that protects the luminous body effectively against environmental influences. The invention relates to outdoor photobioreactors with artificial radiation sources, characterized in that as radiation sources one or more of the group containing equipped with LEDs molded parts, light guides, luminescent
Formteile eingesetzt werden, welche im Innern des Reaktors angeordnet sind.Moldings are used, which are arranged in the interior of the reactor.
Die Freiluftphotobioreaktoren können beliebige Formgestalt auf- weisen. Bei im Freiland aufgestellten Freiluftphotobioreaktoren sind beispielsweise rechteckige Wannen, runde Becken, oder ganz oder teilweise in den Boden eingelassene Becken denkbar. Die Seitenwände oder Böden der Reaktoren können aus beliebigen Materialien, lichtdurchlässigen oder nicht transparenten, gefer- tigt sein. Beispielsweise aus Metall oder Kunststoff.The outdoor photobioreactors can have any desired shape. In open-air outdoor bioreactors, for example, rectangular tubs, round basins, or basins completely or partially recessed in the ground are conceivable. The side walls or bottoms of the reactors may be made of any materials, translucent or non-transparent. For example, made of metal or plastic.
Die Freiluftphotobioreaktoren können auch in Binnengewässern oder auf dem offenen Meer errichtet werden. Auch hier sind beliebige Formgestalten möglich. Die Seitenwände oder Böden der Reaktoren können starr oder flexibel sein, beispielsweise ausThe outdoor photobioreactors can also be built in inland waters or on the open sea. Again, any shape shapes are possible. The side walls or bottoms of the reactors may be rigid or flexible, for example
Folie ausgeführt sein. Auch hierzu können beliebige Materialien wie Metall oder Kunststoff eingesetzt werden. Die Seitenwände können fest im Boden verankert werden oder schwimmend in Form von Folien gebildet werden. Die Bodenflächen können durch den See- oder Meeresgrund gebildet werden oder starr bzw. flexibel als Folie mit schwimmenden Seitenwänden verbunden sein. In einer besonderen Ausführungsform können Seiten und/oder Bodenflächen durch ein Filtermedium gebildet werden, das für die Algen eine Transportbarriere darstellt, aber für Wasser, Luft oder CO2 durchlässig ist.Foil be executed. For this purpose, any materials such as metal or plastic can be used. The side walls can be firmly anchored in the ground or formed floating in the form of films. The bottom surfaces may be formed by the sea or seabed or rigidly connected as a foil with floating side walls. In a particular embodiment, sides and / or bottom surfaces can be formed by a filter medium which is a transport barrier for the algae but is permeable to water, air or CO2.
Die Dimensionierung ist beliebig und kann von Seitenlängen bzw. Durchmessern von wenigen Metern bis zu 100 m betragen, vorzugsweise bis zu 30 m. Während bei Errichtung der Freiluftbioreak- toren im Freiland die Tiefe im allgemeinen 1 bis 2 m nicht ü- berschreiten wird, sind der Tiefe der Reaktoren bei Errichtung in Binnengewässern oder auf dem Meer weniger Grenzen gesetzt. Es sind Tiefen von einem Meter bis zu 100 Metern denkbar, vorzugsweise Tiefen bis zu 30 Metern.The dimensioning is arbitrary and can be of side lengths or diameters of a few meters up to 100 m, preferably up to 30 m. While the depth of the outdoor bioreactors will generally not exceed 1 to 2 meters, the depth of the reactors when installed in inland waters or at sea is less limited. Depths of one meter to 100 meters are conceivable, preferably depths of up to 30 meters.
In Binnengewässern oder Offshore erfolgt die Verankerung der Freiluftphotobioreaktoren vorzugsweise an Masten, Pfeilern, Bojen, Pontons oder auch Offshore-Plattformen, die gleichzeitig Trägerfunktion für erneuerbare Energieerzeugungssysteme, wie Photovoltaik oder Windenergie, und gegebenenfalls Energiespeichersysteme übernehmen. In einer besonderen Ausführungsform kann der Freiluftphotobioreaktor auch durch die Tanks von großen Tankschiffen begrenzt werden.In inland waters or offshore, the anchoring of the outdoor photobioreactors preferably takes place on masts, piers, buoys, pontoons or even offshore platforms, which at the same time take over carrier function for renewable energy generation systems, such as photovoltaic or wind energy, and possibly energy storage systems. In a particular embodiment, the outdoor photobioreactor may also be limited by the tanks of large tankers.
Bei küstennahen Freiluftphotobioreaktoren werden diese, zur Verankerung mittels Verspannungen, bevorzugt höhenregulierbar, an wasserbaulich erstellten Begrenzungswänden oder fest im Boden verankerten Stützen fixiert. Die Zwischenabstützung großer Flächen erfolgt in Tidengewässern bevorzugt an schwimmenden Bojen oder Pontons.In offshore open-air photobioreactors, these are preferably height-adjustable for anchoring by means of tension, fixed to water-based boundary walls or supports firmly anchored in the ground. The intermediate support of large areas takes place in tidal waters, preferably on floating buoys or pontoons.
Die Freiluftphotobioreaktoren können offen sein oder mit, vorzugsweise transparenten, Folien oder Platten abgedeckt sein. Als Abdeckung eignen sich auch schwimmende Folien mit integrierten Fresnel-Linsen und daran angeordneten Lichtleitern. Geeignet sind auch Folien, welche mit einer dünnen Photovoltaik- Schicht beschichtet sind oder Folien aus organischem Photovol- taik-Material . Die damit tagsüber aufgefangene Energie kann ü- ber ein Speichermedium an LED-Formkörper weitergegeben werden.The outdoor photobioreactors may be open or covered with, preferably transparent, sheets or plates. Also suitable as a cover are floating films with integrated Fresnel lenses and light guides arranged thereon. Also suitable are films which are coated with a thin photovoltaic layer or films of organic photovoltaic material. The energy thus collected during the day can be passed on to LED moldings via a storage medium.
Der Lichteintrag in den Freiluftphotobioreaktor erfolgt neben der Sonneneinstrahlung mittels artifizieller Strahlungsquellen, Es können mit LEDs bestückte Formteile eingesetzt werden. Geeignete LEDs sind Strahlungsemittierende Halbleiterbauelemente von organischen oder anorganischen Halbleitern. Bei den LEDs kann es sich um bereits mit Kunststoff, meist Silicon, verkap- selte Dioden oder um unverkapselte Dioden handeln. Die LEDs können im Infrarot-Bereich, im sichtbaren Bereich oder im UV- Bereich strahlen. Die Auswahl hängt von der beabsichtigten Anwendungen ab. Für die Photosynthese in Freiluftphotobioreakto- ren werden LEDs bevorzugt, welche im sichtbaren Bereich strahlen, insbesondere rotes Licht. Die in dem Formkorper eingebetteten LED-Leuchtkorper können bei gleicher Wellenlange emittieren. Es können aber auch LED-Leuchtkorper mit unterschiedlicher Strahlungscharakteπstik miteinander kombiniert werden. Im allgemeinen sind mehrere LED-Leuchtkorper miteinander leitend verbunden, in Reihe und/oder parallel geschaltet. Die Leuchtkor- peranordnung kann mit Sensoren verbunden sein, sowie mit Mess/Steuerungsemπchtungen . Die Anzahl der Leuchtkorper und deren Anordnung zueinander hangt von deren Anwendung ab. Die LED-Leuchtkorper können kontinuierlich oder gepulst betrieben werden .The light entry into the outdoor photobioreactor takes place in addition to the sun's rays by means of artificial radiation sources, It can be fitted with LEDs molded parts. Suitable LEDs are radiation-emitting semiconductor components of organic or inorganic semiconductors. The LEDs may already be plastics, usually silicon, encapsulated diodes or unencapsulated diodes. The LEDs can radiate in the infrared range, in the visible range or in the UV range. The choice depends on the intended applications. For photosynthesis in outdoor photobioreacto- LEDs are preferred which radiate in the visible range, in particular red light. The embedded in the Formkorper LED Leuchtkorper can emit at the same wavelength. However, it is also possible to combine LED illuminants with different radiation characteristics. In general, a plurality of LED luminous bodies are conductively connected to one another, connected in series and / or in parallel. The luminous element arrangement can be connected to sensors as well as to measuring / control devices. The number of luminous bodies and their arrangement to each other depends on their application. The LED luminaires can be operated continuously or pulsed.
Die mit LEDs bestuckten Formteile können aus beliebigen Mateπ- alien gefertigt sein, welche bei der eingestrahlten Wellenlange transparent sind. Beispiele sind thermoplastische oder duroplastische Kunststoffe wie Acrylglas, Polyethylen, Polypropylen, PVC, Polyamide, Polyester wie PET. Geeignet ist auch Quarzglas, ^ic Anordnung der LEDs, einschließlich der elekt- πsch leitenden Verbindungen zwischen den LEDs, und vorzugsweise auch die Anschlüsse oder weitere Elemente der Leuchtkorper- anordnung, sind vollständig in das umgebende Material eingeschlossen, sodass sich zwischen den LEDs, gegebenenfalls auch weiteren Elementen der Leuchtkorper, und dem diese umhüllenden Material kein weiteres Medium, beispielsweise Luft oder Wasser befindet .The molded parts fitted with LEDs can be made of any desired materials which are transparent at the irradiated wavelength. Examples are thermoplastic or thermosetting plastics such as acrylic glass, polyethylene, polypropylene, PVC, polyamides, polyesters such as PET. Also suitable is quartz glass, ^ ic arrangement of the LEDs, including the elec- πsch conductive connections between the LEDs, and preferably also the arrangement connectors or other elements of the Leuchtkorper-, are completely enclosed in the surrounding material, so that between the LEDs, optionally also other elements of the Leuchtkorper, and this enveloping material is no other medium, such as air or water.
Bevorzugt werden LED-Silicon-Formteile eingesetzt wie sie in der DE-A 102007025749 beschrieben werden. Deren diesbezügliche Offenbarung soll auch Gegenstand dieser Anmeldung sein (incor- porated by reference) . Bei diesen LED-Formteilen sind die LEDs in einer Siliconmatrix eingebettet, welche aus einer inneren weichen Siliconmatrix gebildet wird, welche von einer oder mehreren härteren Siliconmatπces umgeben ist.Preference is given to using LED silicone molded parts as described in DE-A 102007025749. Their disclosure in this regard should also be the subject of this application (incor porated by reference). In these LED moldings, the LEDs are embedded in a silicone matrix formed of an inner soft silicone matrix surrounded by one or more harder silicone materials.
Geeignete artiflzielle Strahlungsquellen sind auch Lichtleiter. Ein Lichtleiter ist eine Faser aus einem transparenten, licht- durchlassigen Material, meist Glas oder Kunststoff, die dem Transport von Licht oder Infrarotstrahlung dient. Beispiele für Lichtleiter sind Lichtwellenleiter, Glasfasern, polymere optische Fasern oder andere lichtleitende Bauteile aus Kunststoff sowie Faseroptik-Komponenten. Geeignet sind auch phosphoreszie- rende Lichtleiter, welche Licht über viele Stunden speichern können, und das tagsüber aufgenommene Sonnenlicht, während der Nacht abgeben können. Die Lichtleiter sind so ausgerüstet, dass das Licht gleichmäßig über die gesamte Ausdehnung des Lichtleiters abgegeben wird. Gegebenenfalls können die Lichtleiter mit einer Linse, beispielsweise einer Fresnel-Linse, ausgerüstet werden, um das Licht vor Einleitung in den Lichtleiter zu bündeln und zu verstärken. Der Einsatz von Lichtleiter-Formteilen als Strahlungsquelle neben LED-Formteilen ist beim Betrieb am Tag vorteilhaft.Suitable sources of artificial radiation are also light guides. A light guide is a fiber made of a transparent, light-transmitting material, usually glass or plastic, which is the Transport of light or infrared radiation is used. Examples of light guides are optical waveguides, glass fibers, polymeric optical fibers or other light-conducting components made of plastic and fiber optic components. Also suitable are phosphorescent light guides, which can store light for many hours, and can deliver the sunlight absorbed during the day during the night. The light guides are equipped so that the light is emitted evenly over the entire extent of the light guide. Optionally, the optical fibers may be equipped with a lens, such as a Fresnel lens, to focus and amplify the light prior to being introduced into the optical fiber. The use of optical fiber moldings as a radiation source in addition to LED moldings is advantageous during operation during the day.
Bei den Lichtleitern werden solche auf der Basis von Thermoplastischen Silicon-Elastomeren (TPSE) bevorzugt. Thermoplastische Siliconelastomere enthalten einen Organopolymeranteil, beispielsweise Polyurethan oder Polyvinylester, und einen SiIi- conanteil, meist auf Basis von Polydialkylsiloxan-Basis der obengenannten Spezifikation. Geeignete Thermoplastische Siliconelastomere sind im Handel erhältlich, beispielsweise die entsprechenden GeniomerR-Typen der Wacker Chemie.In the light guides, those based on thermoplastic silicone elastomers (TPSE) are preferred. Thermoplastic silicone elastomers contain an organopolymer fraction, for example polyurethane or polyvinyl ester, and a SiIi- conanteil, usually based on polydialkylsiloxane-based of the above specification. Suitable thermoplastic silicone elastomers are commercially available, for example the corresponding Geniomer R types from Wacker Chemie.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Lichtleiter am Kopf mit einer Fresnel-Linse, mit vorzugsweise bis zu 1000-facher Sonnenlichtverstärkung, ausgestattet und leiten das Licht in die Tiefe des Freilichtphotobioreaktors . Durch geeignete Formgebung, beispielsweise über Prismen, kann das Licht gleichmäßig an die Umgebung abgegeben werden.In a particularly preferred embodiment, the light guides on the head with a Fresnel lens, preferably with up to 1000-fold sunlight gain, equipped and direct the light in the depth of the open-air photobioreactor. By suitable shaping, for example via prisms, the light can be emitted evenly to the environment.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Lichtleiter mit schwimmenden Folien kombiniert, welche mit integrierten Fresnel-Linsen ausgestattet sind. Die Lichtleiter werden an der Unterseite der Folien angeordnet und leiten das mit der Fresnel-Linse eingefangene Licht nach unten in die Tiefe. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sind auch Folien mit integrierten LEDs. Die Formgestalt der LED-Formteile und der Lichtleiter ist beliebig. Sie können in Form von Schläuchen vorliegen, als Bänder, als Rohre, als Stäbe, als Platten, als Prismen oder in Form von Matten. Platten, Matten oder Bänder werden, insbesondere bei LED-Formteilen als Strahlungsquelle, vorzugsweise dazu eingesetzt um die Innenwände des Freiluftphotobioreaktors mit Strahlungsquellen auszustatten. Die Ausgestaltung in Form von Rohren, Stäben, Prismen oder Schläuchen bietet sich für den Einbau von Strahlungsquellen im Reaktorinnenraum an.In a further particularly preferred embodiment, the light guides are combined with floating films which are equipped with integrated Fresnel lenses. The light guides are placed on the underside of the foils and guide the light captured by the Fresnel lens down into the depth. Another preferred embodiment is also films with integrated LEDs. The shape of the LED moldings and the light guide is arbitrary. They can be in the form of hoses, as bands, as tubes, as rods, as plates, as prisms or in the form of mats. Plates, mats or tapes are, in particular in the case of LED moldings as a radiation source, preferably used to equip the inner walls of the outdoor photobioreactor with radiation sources. The design in the form of tubes, rods, prisms or hoses lends itself to the installation of radiation sources in the reactor interior.
Zur gleichmäßigen Versorgung mit Licht im Innenraum können mehrere LED-Formteile, die von dem Reaktorinhalt umströmt werden und beispielsweise als Rohre, Schläuche oder Platten ausgebil- det sind, als Rohr-, Schlauch- oder Plattenbündel zu Lichteinbauten zusammengefasst werden. Die Leuchtkörper können in einer besonders bevorzugten Ausführungsform in einer solchen Weise zueinander versetzt angeordnet werden (z.B. verdrillt), dass sie den Umgebungsraum vollständig und homogen ausleuchten. Der Freiluftphotobioreaktor kann auch LED-Formteile in Röhrenoder Plattenform enthalten, die von dem Reaktorinhalt durchströmt werden. Dabei können mehrere Rohre oder Platten zu Rohroder Plattenbündel zusammengefasst werden. Die Dimensionierung der LED-Formteile oder der Lichtleiter-Formteile ist beliebig und kann der Reaktorgröße angepasst werden.For uniform supply of light in the interior, a plurality of LED molded parts, which are flowed around by the reactor contents and formed, for example, as tubes, hoses or plates, can be combined as tube, hose or plate bundles to form light fixtures. In a particularly preferred embodiment, the luminous bodies may be arranged offset to one another in such a manner (for example, twisted) that they illuminate the surrounding space completely and homogeneously. The outdoor photobioreactor may also contain LED moldings in tubes or plate form, through which the reactor contents flow. Several tubes or plates can be combined to form tube bundles. The dimensioning of the LED molded parts or the optical fiber molded parts is arbitrary and can be adapted to the reactor size.
Die artifiziellen Strahlungsquellen können in den Freiluftpho- tobioreaktor fest eingebaut werden. Bevorzugt werden bei Freiluftphotobioreaktoren, insbesondere bei Offshore-Photobioreak- toren, die Strahlungsquellen an Verspannungen netzartig in großer Anzahl angeordnet. Mit einer solchen Anordnung lassen sich große Flächen bis in Wassertiefen von mehreren Metern bis 100 Metern gleichmäßig ausleuchten. Die Eckpunkte der Verspannungen können an fest im Boden verankerten Masten oder Pfeilern, an wasserbaulich, tief-, hoch-, apparate- bzw. schiffbaulich erstellten Becken- bzw. Tankwänden oder aber an schwimmend verankerten Bojen oder Pontons befestigt sein. Bevorzugt werden mit LEDs bestückte Formteile in Kombination mit Lichtleitern und/oder lumineszierenden Formteilen eingesetzt. Der Abstand zwischen den LED-Formteilen und/oder den Lichtleiterformteilen kann durch unterstützende Lichtverteilung im Inneren eines Freilichtphotobioreaktors mit lumineszierenden Formteilen, beispielsweise lumineszierenden Lichtcarrier- Partikeln erhöht werden. Bevorzugt werden lumineszierende Silicon-Schwebekörper mit eingestellter optimaler Wellenlänge und minimaler Dichtedifferenz zum wässrigen Medium. Diese lumines- zierenden Silicon-Schwebekörper bestehen bevorzugt aus einem oder mehreren lumineszierenden Stoffen in einer Siliconmatrix aus beispielsweise thermoplastischen Siliconelastomeren wie in EP 1412416 Bl oder EP 1489129 Bl beschrieben. Solche lumineszierende Lichtcarrierpartikel zirkulieren im Freiluftphotobio- reaktor, wobei sie sich an der Wasseroberfläche mit Licht aufladen, nach unten sinken und das Licht in der Tiefe abgeben. Auch ist der Lichteintrag allein oder in Kombination durch lumineszierende Formteile oder Folien möglich, die mechanisch ü- ber einen Antrieb geführt, Licht von der Wasseroberfläche in die Tiefe transportieren. Lumineszierende Lichtcarrierpartikel können zur Lichtaufladung auch durch einen externen Loop geführt werden. Als artifizielle Strahlungsquelle können auch ausschließlich lumineszierende Formteile, insbesondere lumineszierende Schwebekörper eingesetzt werden.The artificial radiation sources can be permanently installed in the open-air photo bioreactor. In the case of open-air photobioreactors, in particular in the case of offshore photobioreactors, the radiation sources are preferably arranged in a large number of tensions in a net shape. With such an arrangement, large areas can evenly illuminate up to water depths of several meters to 100 meters. The corner points of the tension can be fixed to pylons or pillars anchored firmly in the ground, to pelvic or tank walls constructed in terms of hydraulic, deep, high, apparatus or shipbuilding, or to buoys or pontoons anchored in a floating manner. Preference is given to using molded parts equipped with LEDs in combination with light guides and / or luminescent shaped parts. The distance between the LED moldings and / or the optical waveguide moldings can be increased by supporting light distribution in the interior of an open-air photobioreactor with luminescent shaped parts, for example luminescent light-carrier particles. Preference is given to luminescent silicone floats with set optimum wavelength and minimal density difference to the aqueous medium. These luminescent silicone floats preferably consist of one or more luminescent substances in a silicone matrix of, for example, thermoplastic silicone elastomers as described in EP 1412416 Bl or EP 1489129 B1. Such luminescent light carrier particles circulate in the open-air photobio reactor, charging with light at the water surface, sinking down and emitting the light in depth. Also, the light input alone or in combination by luminescent moldings or films is possible, which led mechanically ü- via a drive, transport light from the water surface in the depth. Luminescent light carrier particles can also be passed through an external loop for charging the light. As an artificial radiation source and only luminescent moldings, in particular luminescent floating body can be used.
Der Freiluftphotobioreaktor ist mit Einrichtungen zur Befüllung bzw. zur Zufuhr von Nährstoffen und Zufuhr von Cθ2~haltigen Gasen ausgestattet. Weitere Einrichtungen sind solche zur Produktabtrennung, beispielsweise mittels Pumpen oder Rechen, und Entleerung.The outdoor photobioreactor is equipped with facilities for filling nutrients and supplying CO 2 containing gases. Other devices are those for product separation, for example by means of pumps or rakes, and emptying.
Als Cθ2-Quelle geeignet sind Luft, mit CO2 angereicherte Luft, Cθ2~haltiges Abgas oder reines CO2. In einer bevorzugten Ausführung werden die Cθ2-haltigen Gase, beispielsweise Luft oder CO2- haltige Abluft, von unten in den Freiluftphotobioreaktor, über die Fläche verteilt, zugegeben. Durch die höhere, grundflächensparende Bauweise der offenen Freiluftphotobioreaktoren wird im Falle am Grund eingeleiteter Luft, Cθ2-haltiger Luft oder rei- nem CO2 eine längere Gasverweilzeit eingestellt (die Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasblasen bleibt gleich) und dadurch eine wesentlich bessere CO2 -Abreicherung bzw. Ausnutzung erreicht. Darüberhinaus reduziert bzw. verhindert ein tieferes Becken den Verdunstungsverlust bei Wasser, was insbesondere in wasserarmen (ariden) küstenfernen Regionen der Erde vorteilhaft ist.Suitable CO 2 sources are air, air enriched with CO 2, CO 2 -containing exhaust gas or pure CO 2. In a preferred embodiment, the CO 2 -containing gases, for example air or CO 2 -containing exhaust air, are added from below into the open-air photobioreactor, distributed over the surface. Due to the higher, surface-saving design of the open-air photobioreactors, in the case of air introduced at the bottom, CO 2 -containing air or A longer gas residence time is set for the CO2 (the rate of ascent of the gas bubbles remains the same), which results in a significantly better CO2 enrichment or utilization. In addition, a deeper pool reduces or prevents the evaporation loss of water, which is particularly advantageous in low-water (arid) offshore regions of the earth.
Besonders bevorzugt ist die Kombination der mit artifiziellen Strahlungsquellen ausgerüsteten Freiluftphotobioreaktoren mit Anlagen zur regenerativen Stromerzeugung. Vorzugsweise werden die Freiluftphotobioreaktoren mit dezentral, unmittelbar an den Reaktoren, erzeugtem Strom aus Photovoltaik-Anlagen, Windkraftanlagen oder Gezeitenkraftwerken versorgt. Weiter wird die Kombination mit Anlagen zur Tag/Nacht-Stromspeicherung bevorzugt, dadurch wird die Abhängigkeit von der direkten Sonnenlichteinstrahlung reduziert.Particularly preferred is the combination of equipped with artificial radiation sources Freiluftphotobioreaktoren with plants for regenerative power generation. Preferably, the outdoor photobioreactors are supplied with decentralized, directly to the reactors, generated electricity from photovoltaic systems, wind turbines or tidal power plants. Furthermore, the combination with systems for day / night power storage is preferred, thereby reducing the dependence on direct sunlight.
Bei Offshore-Installation der Freiluftphotobioreaktoren wird Photovoltaik-Strom bevorzugt, welcher besonders bevorzugt durch Hochleistungssolarzellen erzeugt wird, die mit, durch Fresnel- Linsen bis zu mehr als 1000-fach verstärktem, Sonnenlicht versorgt werden.For offshore installation of the outdoor photobioreactors photovoltaic current is preferred, which is particularly preferably produced by high power solar cells supplied with sunlight supplied by Fresnel lenses up to more than 1000 times.
Besonders bevorzugt ist die Kombination der Freiluft-Photobio- reaktoren mit Offshore-Windenergieparks, wobei die Fläche der Windenergieparks mit einer Wassertiefe von wenigen Metern bis wenigen 10 Metern zur Installation der Freiluft-Photobioreaktoren genutzt wird, und die Masten der Windenergieanlagen für die Fixpunkte der Seitenwände und netzartigen Verspannung der LED-Formteile und Lichtleiter oder der Folien mit integrierten LEDs oder Lichtleitern genutzt werden.Particularly preferred is the combination of outdoor photobioductors with offshore wind farms, the area of the wind farms is used with a water depth of a few meters to a few 10 meters for installing the outdoor photobioreactors, and the masts of the wind turbines for the fixed points of the side walls and net-like strain of the LED molded parts and optical fibers or the films are used with integrated LEDs or optical fibers.
Durch Speicherung des am Tag oder bei starkem Wind regenerativ erzeugten Überschußstroms und dessen Abgabe bei Nacht oder Windstille wird eine tageszeitliche Vergleichmäßigung und Intensivierung der Algenproduktion erreicht. Das hier beschriebene Konzept der Beleuchtung mit artifiziellen Strahlungsquellen kann auch zur Ausrüstung von bestehenden Algenfarmen mit künstlicher Beleuchtung genutzt werden. Es können auch mehrere Freiluftphotobioreaktoren kombiniert werden, bei- spielsweise zur Schaffung von großflächigen Algenfarmen.By storing the surplus electricity generated regeneratively during the day or in strong wind and its delivery at night or calm, a daytime equalization and intensification of algae production is achieved. The concept of illumination with artificial radiation sources described here can also be used to equip existing algae farms with artificial lighting. Several outdoor photobioreactors can also be combined, for example to create large-scale algae farms.
Durch die optimierte konstruktive Anordnung einer großen Anzahl von LED-Formteilen und/oder Lichtleitern, flächenmäßig gleichmäßig verteilt über große Freiluftphotobioreaktoren, beispiels- weise Algenfarmen, wird eine wirtschaftliche Massenproduktion von Algenbiomasse ermöglicht. Mit den LED-Formteilen kann eine Vielzahl von LEDs zu Reaktorleuchteinbauten zusammengefasst werden, die somit eine optimale Beleuchtung einer Algenfarm und Steigerung des Flächenertrags wirtschaftlich ermöglicht.The optimized constructive arrangement of a large number of LED moldings and / or light guides, evenly distributed over large open-air photobioreactors, for example algae farms, enables economical mass production of algae biomass. With the LED moldings, a variety of LEDs can be summarized to reactor light fixtures, which thus enables optimal illumination of an algae farm and increase the area yield economically.
Aufgrund der Einbettung der LEDs in eine Matrix werden Fouling und Belagsbildung deutlich reduziert.Due to the embedding of the LEDs in a matrix, fouling and deposit formation are significantly reduced.
Die Freiluftphotobioreaktoren können zur autotrophen und hete- rotrophen Massenproduktion von Algenbiomasse, sowie zurThe open-air photobioreactors can be used for autotrophic and heterotrophic mass production of algae biomass, as well as for
Produktion von Wertstoffen aus Algenbiomasse wie Proteinen, Vitaminen, pharmazeutischen Wirkstoffen, Lipiden, sowie Öl aus CO2, Wasser und mineralischen Nährstoffen, eingesetzt werden. Weitere Anwendungen sind die mixotrophe Produktion von Wert- Stoffen unter Zufütterung organischer Kohlenstoffquellen und die Entfernung von CO2 aus Kraftwerks- oder Industrieabgasen.Production of valuable substances from algal biomass such as proteins, vitamins, pharmaceutical agents, lipids, as well as oil from CO2, water and mineral nutrients. Other applications include the mixotrophic production of valuable substances with the addition of organic carbon sources and the removal of CO2 from power plant or industrial waste gases.
Die so hergestellt Algenbiomasse eignet sich als Energierohstoff, Chemierohstoff, Nahrungsmittel, und zum Einsatz in kos- metischen und medizinischen Anwendungen.The algae biomass produced in this way is suitable as an energy raw material, chemical raw material, foodstuff, and for use in cosmetic and medical applications.
Die Erfindung wird in Figur 1 bis 2 beispielhaft erläutert:The invention is explained by way of example in FIGS. 1 to 2:
Figur 1: Freiluftphotobioreaktor, in der Ausgestaltung einer Hochleistungsalgenfarm, mit LED-Formteilen und Lichtleitern mit Fresnellinsenkopf im Wechsel, netzartig aufgespannt zwischen Pontons als Hochleistungsphotovoltaik-Modulträger und Energiespeieher . Figur 2: Freiluftphotobioreaktor, in der Ausgestaltung einer Hochleistungsalgenfarm, mit LED-Formteilen und Lichtleitern mit Fresnellinsenkopf im Wechsel, netzartig aufgespannt zwischen den Masten eines Offshore-Windenergieparks als Generatorträger und Energiespeicher. Figure 1: Freiluftphotobioreaktor, in the embodiment of a high-performance algae farm, with LED moldings and light guides with Fresnellinsenkopf in alternation, net-like spanned between pontoons as a high-performance photovoltaic module carrier and Energiespeieher. Figure 2: Freiluftphotobioreaktor, in the embodiment of a high-performance algae farm, with LED moldings and light guides with Fresnellinsenkopf in alternation, net-like spanned between the masts of an offshore wind farm as a generator carrier and energy storage.

Claims

Patentansprüche : Claims:
1. Freiluftphotobioreaktoren mit artifiziellen Strahlungsquellen, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungsquel- len ein oder mehrere aus der Gruppe enthaltend mit LEDs bestückte Formteile, Lichtleiter, lumineszierende Formteile eingesetzt werden, welche im Innern des Reaktors angeordnet sind.1. Freiluftphotobioreaktoren with artificial radiation sources, characterized in that as radiation sources len one or more from the group containing equipped with LEDs molded parts, light guides, luminescent moldings are used, which are arranged in the interior of the reactor.
2. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese im Freiland, in Binnengewässern oder auf dem offenen Meer errichtet werden.2. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1, characterized in that they are erected outdoors, in inland waters or on the open sea.
3. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände oder Böden starr oder flexibel, aus lichtdurchlässigen oder nicht transparenten, Materialien gebildet werden.3. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1 or 2, characterized in that the side walls or floors are rigid or flexible, made of translucent or non-transparent, materials.
4. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese an Masten, Pfeilern, Bojen,4. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1 to 3, characterized in that these masts, pillars, buoys,
Pontons oder Offshore-Plattformen verankert werden, oder durch die Tanks von großen Tankschiffen begrenzt werden.Anchored to pontoons or offshore platforms, or be limited by the tanks of large tankers.
5. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei küstennahen Freiluftphotobioreaktoren diese, zur Verankerung mittels Verspannungen, an wasserbaulich erstellten Begrenzungswänden oder fest im Boden verankerten Stützen fixiert werden.5. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1 to 3, characterized in that at near-shore open-air photobioreactors, these anchoring by means of tensions, fixed to hydraulic boundary walls or fixed anchored in the ground supports are fixed.
6. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die mit LEDs bestückten Formteile LEDs, welche im sichtbaren Bereich strahlen, eingesetzt werden .6. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1 to 5, characterized in that for the fitted with LEDs molded parts LEDs, which radiate in the visible range, are used.
7. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtleiter Lichtwellenleiter, Glasfasern, polymere optische Fasern, lichtleitende Bau- teile aus Kunststoff, Faseroptik-Komponenten oder phosphoreszierende Lichtleiter eingesetzt werden.7. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1 to 5, characterized in that as a light guide optical waveguides, glass fibers, polymeric optical fibers, light-conducting construction parts made of plastic, fiber optic components or phosphorescent light guide can be used.
8. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass die die Lichtleiter mit einer Linse, beispielsweise einer Fresnel-Linse, ausgerüstet werden.8. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 7, characterized in that the light guides are equipped with a lens, for example a Fresnel lens.
9. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit LEDs bestückte Formteile in Kom- bination mit Lichtleitern eingesetzt werden.9. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1 to 8, characterized in that fitted with LEDs moldings are used in combination with optical fibers.
10. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als mit LEDs bestückte Formteile LED- Silicon-Formteile eingesetzt werden.10. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1 to 9, characterized in that are used as LEDs equipped with molded parts LED silicone moldings.
11. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Formteile und die Lichtleiter in Form von Schläuchen, als Bänder, als Rohre, als Stäbe, als Platten, als Prismen oder in Form von Matten vorlie- gen.11. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1 to 10, characterized in that the LED molded parts and the light guides in the form of hoses, as bands, as tubes, as rods, as plates, as prisms or in the form of mats present.
12. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur unterstützenden Lichtverteilung lumineszierende Schwebekörper, bevorzugt lumineszierende Silicon-Schwebekörper eingesetzt werden.12. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1 to 11, characterized in that for supporting light distribution luminescent floats, preferably luminescent silicone floats are used.
13. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1 bis 5, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass als artifizielle Strahlungsquelle ausschließlich lumineszierende Formteile, insbeson- dere lumineszierende Schwebekörper, eingesetzt werden.13. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1 to 5, 7 and 8, characterized in that are used as the artificial radiation source exclusively luminescent molded parts, in particular luminescent floats.
14. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet dass als artifizielle Strahlungsquelle allein oder in Kombination lumineszierende Formteile oder Folien eingesetzt werden, die mechanisch über einen Antrieb geführt, Licht von der Wasseroberfläche in die Tiefe transportieren . 14. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1 to 11, characterized in that as an artificial radiation source alone or in combination luminescent moldings or films are used, which led mechanically via a drive, transport light from the water surface in the depth.
15. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Formteile oder Lichtleiter in den Freiluftphotobioreaktor fest eingebaut werden oder an Verspannungen netzartig in großer Anzahl angeordnet sind.15. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1 to 14, characterized in that the LED moldings or light guides are permanently installed in the Freiluftphotobioreaktor or are arranged in a net like tension on tensions.
16. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass diese mit Folien oder Platten abgedeckt sind, welche gegebenenfalls mit integrierten Fres- nel-Linsen und daran angeordneten Lichtleitern ausgestat- tet sind, und/oder mit einer dünnen Photovoltaik-Schicht beschichtet sind und/oder aus organischem Photovoltaik- Material bestehen.16. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1 to 15, characterized in that they are covered with films or plates, which are optionally equipped with integrated Fresnel lenses and arranged thereon light guides, and / or coated with a thin photovoltaic layer and / or consist of organic photovoltaic material.
17. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass diese mit Anlagen zur regenerativen17. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1 to 16, characterized in that this with plants for regenerative
Stromerzeugung gekoppelt werden.Electricity generation will be coupled.
18. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass diese mit Anlagen zur Tag/Nacht- Stromspeicherung gekoppelt werden.18. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 17, characterized in that they are coupled with systems for day / night electricity storage.
19. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei Offshore-Installation der Freiluftphotobioreaktoren Photovoltaik-Strom oder anderer regenerativ erzeugter Strom eingesetzt wird.19. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 17 or 18, characterized in that when offshore installation of the outdoor photobioreactors photovoltaic power or other regeneratively generated electricity is used.
20. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Freiluftphotobioreaktoren mit Offshore-Windenergieparks gekoppelt werden.20. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 17 or 18, characterized in that the Freiluftphotobioreaktoren be coupled with offshore wind farms.
21. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass diese mittels Ausrüstung von bestehenden Algenfarmen mit mit LEDs bestückten Formteilen und/oder Lichtleitern und/oder lumineszierende Formteile erhalten werden. 21. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1 to 20, characterized in that they are obtained by equipment of existing algae farms with fitted with LEDs moldings and / or light guides and / or luminescent moldings.
22. Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Freiluftphotobioreaktoren zur Schaffung von großflächigen Algenfarmen kombiniert werden.22. Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1 to 21, characterized in that several outdoor photobioreactors are combined to create large-scale algae farms.
23. Verfahren zur autotrophen und heterotrophen Massenproduktion von Algenbiomasse, sowie zur Produktion von Wertstoffen aus Algenbiomasse mit Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1 bis 22.23. A method for autotrophic and heterotrophic mass production of algal biomass, and for the production of recyclables from algal biomass with Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1 to 22nd
24. Verfahren zur mixotrophen Produktion von Wertstoffen unter Zufütterung organischer Kohlenstoffquellen mit Freiluft- photobioreaktoren nach Anspruch 1 bis 22.24. A process for the mixotrophic production of recyclable materials with the addition of organic carbon sources with open-air photobioreactors according to claim 1 to 22.
25. Verfahren zur Entfernung von CO2 aus Kraftwerks- oder Industrieabgasen mit Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1 bis 22.25. A method for the removal of CO2 from power plant or industrial waste gases with Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1 to 22nd
26. Verwendung der mit Freiluftphotobioreaktoren nach Anspruch 1 bis 22 hergestellten Algenbiomasse als Energierohstoff, Chemierohstoff, Nahrungsmittel, und zum Einsatz in kosmetischen und medizinischen Anwendungen. 26. Use of algal biomass produced with Freiluftphotobioreaktoren according to claim 1 to 22 as an energy resource, chemical feed, food, and for use in cosmetic and medical applications.
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