DE20017229U1 - Reactor for the production of biomass, in particular algae - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Produktion von Biomasse, insbesondere von Algen, nach dem Oberbegriff des ersten Schutzanspruchs. Die Biomasse wird dabei unter Lichteinwirkung durch Fotosynthese erzeugt.
Vorzugsweise werden mit dieser Anlage durch Fotosynthese Mikroalgen gezüchtet. Die Mikroalgen verarbeiten dabei Kohlendioxid, welches derzeit meist als Abfallprodukt in verschiedenen Industriezweigen anfällt.The invention relates to a reactor for producing biomass, in particular algae, according to the preamble of the first claim. The biomass is produced by photosynthesis under the influence of light.
This system is primarily used to grow microalgae through photosynthesis. The microalgae process carbon dioxide, which is currently mostly a waste product in various industries.
Es sind zahlreiche Verfahren und Anlagen für die Produktion von Algen bekannt, bei welchen jedoch als Reaktor für den Durchlauf der Biomasse ein System aus einer Vielzahl von neben- und übereinander angeordneten Teilelementen in Form von Glasrohren eingesetzt wird. Ein derartiger Reaktor wird beispielsweise in DE 198 14 424 beschrieben. Diese Glasrohre sind jedoch sehr teuer, so dass insgesamt für derartige Reaktoren hohe Kosten zu verzeichnen sind.There are numerous processes and systems known for the production of algae, but in these a system consisting of a large number of sub-elements in the form of glass tubes arranged next to and on top of one another is used as the reactor for the biomass to pass through. One such reactor is described in DE 198 14 424, for example. However, these glass tubes are very expensive, so that the overall costs for such reactors are high.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reaktor zur Produktion von Biomasse, insbesondere von Algen, zu entwickeln, welcher durch den Einsatz preisgünstiger Teilelemente kostengünstig herstellbar ist und mit welchem umweitschädigende CO2 Gase abgebaut werden können.The object of the invention is to develop a reactor for the production of biomass, in particular algae, which can be manufactured cost-effectively through the use of inexpensive components and with which environmentally damaging CO2 gases can be broken down.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der zur Produktion von Biomasse, insbesondere von Algen, eingesetzte Reaktor aus einer Vielzahl von Teilelementen mit lichtdurchlässigen Wandungen besteht, wobei erfindungsgemäß die Teilelemente als Flachelemente ausgebildet sind. Dem Reaktor werden bevorzugt CO2 haltige Rauchgase, z.B. die Abgase eines Heizkraftwerkes, zugeführt.
Innerhalb eines Flachelementes können dabei zwei oder mehrere Umläufe angeordnet sein, die den Stoffstrom mehrfach umlenken. Die Umleitung der Umläufe erfolgt vorzugsweise an zwei sich gegenüberliegenden senkrechten Stirnseiten des jeweiligen Flachelementes. Der Zu- und Ablauf der Flachelemente kann variiert werden. Z.B. ist es möglich, den Zulauf eines Flachelementes oben und den Ablauf unten anzuordnen und zwischen dem Ablauf eines Flachelementes und dem Zulauf des sich anschließenden Flachelementes ein Schrägrohr vorzusehen. Alternativ ist es auch möglich, zwischen zwei benachbarten Flachelementen Ablauf und Zulauf wechselseitig unten- und obenliegend anzuordnen und die jeweils nebeneinander liegenden Ab- und Zuläufe über ein horizontales Verbindungsrohr zu verbinden. Es besteht die Möglichkeit, zwei oder mehr Flachelemente zu einem Teilreaktor und wiederum mehrere Teilreaktoren miteinander zu kombinieren. Jeder sollte dabei einen, denThis object is achieved according to the invention in that the reactor used for the production of biomass, in particular algae, consists of a large number of sub-elements with translucent walls, whereby according to the invention the sub-elements are designed as flat elements. Flue gases containing CO2, e.g. the exhaust gases from a heating power station, are preferably fed to the reactor.
Two or more circuits can be arranged within a flat element, which divert the material flow several times. The diversion of the circuits preferably takes place on two opposite vertical front sides of the respective flat element. The inlet and outlet of the flat elements can be varied. For example, it is possible to arrange the inlet of a flat element at the top and the outlet at the bottom and to provide an inclined pipe between the outlet of a flat element and the inlet of the adjoining flat element. Alternatively, it is also possible to arrange the outlet and inlet alternately at the top and bottom between two adjacent flat elements and to connect the outlets and inlets lying next to each other via a horizontal connecting pipe. It is possible to combine two or more flat elements to form a partial reactor and in turn to combine several partial reactors with each other. Each should have one, the
unerwünschten Druckabfall oder Druckanstieg signalisierenden Drucksensor aufweisen.have a pressure sensor that signals undesirable pressure drop or pressure increase.
Die miteinander kombinierten Flachelemente können gleichartige oder unterschiedliche Bauformen aufweisen.The combined flat elements can have similar or different designs.
Es ist möglich, die Teilreaktoren neben- und/oder übereinander anzuordnen.It is possible to arrange the sub-reactors next to and/or above each other.
Zur Beschleunigung der Fotosynthese ist es möglich, den Flachelementen und/oder den Teilreaktoren zusätzliche Lichtquellen zuzuordnen. Dies kann in Form von Spiegeln oder Lichtleitkabeln erfolgen.To accelerate photosynthesis, it is possible to assign additional light sources to the flat elements and/or the partial reactors. This can be done in the form of mirrors or fiber optic cables.
Die Spiegel werden am Behälterboden der Flachelemente angeordnet oder können auch jedem Umlenkelement zugeordnet werden. Dabei besteht auch die Möglichkeit, die Umlenkelemente selbst als Spiegel auszubilden. Diese können z.B. aus beschichtetem Aluminiumblech, Kunststoff oder Glas bestehen.The mirrors are arranged on the bottom of the flat elements or can be assigned to each deflection element. It is also possible to design the deflection elements themselves as mirrors. These can be made of coated aluminum sheet, plastic or glass, for example.
Bevorzugt können die Flachelemente und/oder die Teilreaktoren auch in einem, den Lichteinfall verbessernden, Winkel aufgestellt werden.Preferably, the flat elements and/or the partial reactors can also be positioned at an angle that improves the incidence of light.
Bestehen die Flachelemente aus doppelwandigem Glas oder Kunststoff ist es möglich, den obigen Zulauf mehrerer nebeneinander angeordneter Flachelemente über einen gemeinsamen Verteiler zu speisen. Der unten liegende AblaufIf the flat elements are made of double-walled glass or plastic, it is possible to feed the above inlet of several flat elements arranged next to each other via a common distributor. The outlet below
der Flachelemente mündet dann vorteilhafter Weise in einen gemeinsamen Sammelkanal.The flat elements then advantageously flow into a common collecting channel.
Die Teilreaktoren werden über Leitungen miteinander verbunden. Diese Leitungen und/oder das zwischen zwei Flachelementen angeordnete Verbindungsrohr und/oder der Verteiler und/oder Sammelkanal können eine oder mehrere Weitungen aufweisen, welche die Strömungsverhältnisse verbessern.
Mit der Erfindung wird ein Reaktor geschaffen, der einfach herstellbar, vielfältig kombinierbar und kostengünstig ist. Die Ausbildung als ■Flachelemente gewährleistet eine Verbesserung der Biointensität, welche durch den Einsatz von Spiegeln oder Lichtleitfasern und/oder durch eine definierte Neigung der Flachelemente zusätzlich verstärkt werden kann.The partial reactors are connected to one another via lines. These lines and/or the connecting pipe arranged between two flat elements and/or the distributor and/or collecting channel can have one or more widened sections that improve the flow conditions.
The invention creates a reactor that is easy to manufacture, can be combined in many different ways and is cost-effective. The design as flat elements ensures an improvement in biointensity, which can be further increased by using mirrors or optical fibers and/or by a defined inclination of the flat elements.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments.
Show it:
Fig. 1: vier Flachelemente mit Umlenkungen, oben liegenden Zuleitungen und unten liegenden Ableitungen,Fig. 1: four flat elements with deflections, upper supply lines and lower discharge lines,
Pig. la: vergrößerte Darstellung eines Flachelementes,
Fig. 2: vier Flachelemente mit Umlenkungen und abwechselnd von einem zum nächsten Flachelement Pig. la: enlarged view of a flat element,
Fig. 2: four flat elements with deflections and alternating from one to the next flat element
oben und unten liegenden horizontalen Verbindungsrohren,horizontal connecting pipes at the top and bottom,
Fig. 2a: übereinanderIiegende Anordnung mehrerer Systeme gem. Fig. 2,Fig. 2a: superimposed arrangement of several systems as shown in Fig. 2,
Fig. 3: Darstellung des StoffStroms gem. Fig. 2,Fig. 3: Representation of the material flow according to Fig. 2,
Fig. 4a: Übergang von einem Teilreaktor Tl zum nächstenFig. 4a: Transition from one sub-reactor Tl to the next
Teilreaktor mit Schrägrohr, .
Fig. 4b: Übergang von einem Teilreaktor Tl zum nächsten Teilreaktor mit horizontalem Verbindungsrohr,
Fig. 5: Verbindungsrohr mit Weitungen,Partial reactor with inclined tube, .
Fig. 4b: Transition from one sub-reactor Tl to the next sub-reactor with horizontal connecting pipe,
Fig. 5: Connecting pipe with expansions,
Fig. 6: parallele Anordnung mehrerer Teilreaktoren mitFig. 6: Parallel arrangement of several sub-reactors with
Spiegeln,
Fig. 7: Flachelement mit Umlenkelementen und diesen zugeordneten Spiegeln,
Fig. 8: Teilreaktoren mit batterieartig übereinanderReflect,
Fig. 7: Flat element with deflection elements and associated mirrors,
Fig. 8: Partial reactors with battery-like stacking
angeordneten Flachelementen,
Fig. 9: Flachelement in Form einer doppelwandigen Scheibearranged flat elements,
Fig. 9: Flat element in the form of a double-walled disc
in Vorderansicht,in front view,
Fig. 10: Flachelement gem. Fig. 9 in Seitenansicht,
Fig. 11: mehrere gem. Fig. 9 ausgebildete Flachelemente inFig. 10: Flat element according to Fig. 9 in side view,
Fig. 11: several flat elements designed according to Fig. 9 in
Seitenansicht,
Fig. 12: mehrere gem. Fig. 9 ausgebildete Flachelemente inside view,
Fig. 12: several flat elements designed according to Fig. 9 in
Vorderansicht,front view,
Fig. 13: möglicher Aufbau eines Reaktors.
25Fig. 13: Possible structure of a reactor.
25
In Fig. 1 sind vier Flachelemente 1.1/ 1.2, 1.3 mit Umlenkungen 2, oben liegenden Zuleitungen 3 und unten liegenden Ableitungen 4, dargestellt. Die Ableitung 3 eines Flachelementes ist mit der Zuleitung 4 des sich anschließenden Flachelementes über ein Schrägrohr 5 verbunden. Der biologische Stoffstrom (Pfeilrichtung) wird zum ersten Flachelement 1.1 über dessen Zuleitung 3 eingeleitet und gelangt durch die Schwerkraft über eine mehrfache Umlenkung mittels der Umlenkungen 2 zur Anleitung 4 des ersten Flachelementes 1.1. Von dort aus wird es über eine nicht dargestellte Pumpe über das Schrägrohr 5 zur Zuleitung 3 des zweiten Flachelementes 1.2 gefördert usw. Die vergrößerte Darstellung eines Flachelementes gem. Fig. 1 zeigt Fig. la. Die Umlenkung 2 besteht aus mehreren horizontal angeordneten Trennelementen 2a. Das oberste Trennelement 2a liegt an einer Behältervandung la an und ist von der gegenüberliegenden Behältervandung Ib beabstandet. Das darunter liegende Trennelement 2a liegt an der Behältervandung Ib an und ist von der Behältervandung la beabstandet usv., so daß hier von oben nach unten daß ein meanderförmiger Stofffluß entsteht. Fig. 1 shows four flat elements 1.1/ 1.2, 1.3 with deflectors 2, upper supply lines 3 and lower discharge lines 4. The discharge line 3 of a flat element is connected to the supply line 4 of the adjoining flat element via an inclined pipe 5. The biological material flow (direction of the arrow) is introduced to the first flat element 1.1 via its supply line 3 and, under the force of gravity, passes through multiple deflections by means of the deflectors 2 to the guide line 4 of the first flat element 1.1. From there, it is conveyed by a pump (not shown) via the inclined pipe 5 to the supply line 3 of the second flat element 1.2, etc. Fig. 1a shows an enlarged view of a flat element according to Fig. 1. The deflector 2 consists of several horizontally arranged separating elements 2a. The uppermost separating element 2a rests against a container wall la and is spaced from the opposite container wall 1b . The separating element 2a located underneath rests against the container wall 1b and is spaced apart from the container wall 1a, etc., so that a meandering material flow is created from top to bottom.
Es können auch Flachelemente 1.1 bis l.n mit abwechselnd von einem zum nächsten Flachelement oben und unten liegenden horizontalen Verbindungsrohren kombiniert werdenFlat elements 1.1 to l.n can also be combined with horizontal connecting pipes alternating between the top and bottom of one flat element and the next
(Fig. 2) . Der Stoff strom gelangt über den oben liegenden Zulauf 3 zum ersten Flachelement 1.1, wird mittels Schwerkraft nach unten zu dessen Ablauf 4 geleitet und über ein horizontales Verbindungsrohr 6 in den unten liegenden Zulauf 3 des zweiten Flachelementes 1.2 gespeist. Unter Druck steigt der biologische Stoffstrom im Flachelement 1.2 nach oben und gelangt über den oben liegenden Ablauf 4 des zweiten Flachelementes 1.2 über ein horizontales Verbindungsrohr 6 zum oben liegenden Zulauf des dritten Flachelements 1.3. Es wird in den einzelnen Flachelementen 1.1 bis l.n abwechselnd ein in unterschiedliche Richtungen weisender Stoffstrom realisiert. Dieser kann abwechselnd fallend und steigend sein (bei stehender Anordnung der Flachelemente) oder horizontal meanderförmig verlaufen (bei liegender Anordnung der Flachelemente). Eine Variante einer übereinanderliegenden Anordnung mehrerer gem. Fig. 2 nebeneinander geschalteter Systeme ist in Firg. 2a dargestellt.Die Prinzipdarstellung des StoffStroms gem. Fig. 2 wird in Fig. 3 gezeigt.(Fig. 2). The material flow reaches the first flat element 1.1 via the upper inlet 3, is guided downwards by gravity to its outlet 4 and fed via a horizontal connecting pipe 6 into the lower inlet 3 of the second flat element 1.2. Under pressure, the biological material flow rises in the flat element 1.2 and reaches the upper outlet 4 of the second flat element 1.2 via a horizontal connecting pipe 6 to the upper inlet of the third flat element 1.3. In the individual flat elements 1.1 to 1.n, a material flow pointing in different directions is alternately realized. This can be alternately falling and rising (if the flat elements are arranged upright) or run horizontally in a meandering manner (if the flat elements are arranged lying down). A variant of a superimposed arrangement of several systems connected next to one another as shown in Fig. 2 is shown in Fig. 2a. The principle representation of the material flow according to Fig. 2 is shown in Fig. 3.
Es ist möglich, verschiedene Stückzahlen und Anordnungskombinationen von Flachelementen zu einem Teilreaktor zu kombinieren. Der Übergang von einem Teilreaktor Tl zum nächsten Teilreaktor T2 zeigen Fig. 4a und 4b. In erstgenannter Darstellung ist der erste Teilreaktor Tl gem. Fig. 2 und der zweite Teilreaktor T2It is possible to combine different numbers and arrangement combinations of flat elements to form a partial reactor. The transition from one partial reactor Tl to the next partial reactor T2 is shown in Fig. 4a and 4b. In the former illustration, the first partial reactor Tl is as shown in Fig. 2 and the second partial reactor T2
gem. Fig. 2 ausgebildet. Die Verbindung von Tl zu T2 erfolgt über ein Schrägrohr. In Fig. 4b ist ein oben liegendes horizontales Verbindungsrohr 7 zwischen den Teilreaktoren Tl, T2 vorgesehen. Die Flachelemente 1.1, 1.2, l.n der Teilreaktoren Tl, T2 weisen dabei Umlenkungen auf, die sowohl übereinander als nebeneinander angeordnet sind. Der Stofffluss wird damit im Flachelement um 180° umgelenkt.
Ein horizontales Verbindungsrohr 7 mit zwei Weitungen 11 ist in Fig. 5 dargestellt.as shown in Fig. 2. The connection from Tl to T2 is made via an inclined pipe. In Fig. 4b, a horizontal connecting pipe 7 is provided at the top between the partial reactors Tl, T2. The flat elements 1.1, 1.2, ln of the partial reactors Tl, T2 have deflections which are arranged both above and next to each other. The material flow is thus deflected by 180° in the flat element.
A horizontal connecting pipe 7 with two expansions 11 is shown in Fig. 5.
Eine parallele Anordnung mehrere Teilreaktoren Tl, T2 bis Tn mit einem, jedem Teilreaktor Tl, T2 bis Tn zugeordneten Spiegel 7 ist in Fig. 6 schematisch dargestellt.
Ein Flachelement 1.1 mit Umlenkelementen 2 und diesen zugeordneten Spiegeln 7 zeigt Fig. 7. Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform kann auch am Boden des Flachelementes ein Spiegel vorgesehen sein.A parallel arrangement of several partial reactors Tl, T2 to Tn with a mirror 7 assigned to each partial reactor Tl, T2 to Tn is shown schematically in Fig. 6.
Fig. 7 shows a flat element 1.1 with deflection elements 2 and mirrors 7 associated with them. According to an embodiment not shown, a mirror can also be provided on the bottom of the flat element.
Drei miteinander kombinierte Teilreaktoren Tl bis T3 mit jeweils batterieartig übereinander angeordneten Flachelementen 1.1, 1.2 bis 2.&eegr; zeigt Fig. 8. Die Verbindung der Teilreaktoren Tl bis T3 erfolgt über ein Schrägrohr 5.Fig. 8 shows three combined partial reactors Tl to T3, each with flat elements 1.1, 1.2 to 2.η arranged one above the other like a battery. The partial reactors Tl to T3 are connected via an inclined tube 5.
Es ist auch möglich, das Flachelement in der Art einer doppelwandigen Scheibe ohne Umlenkelemente auszubilden.It is also possible to design the flat element in the form of a double-walled disc without deflection elements.
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Diese Variante zeigt Fig. 9 in der Vorderansicht und Fig. 10 in der Seitenansicht. Die doppelwandige Scheibe ist oben und unten geöffnet. Die obere Öffnung bildet die Zuleitung 3 und die untere Öffnung die Ableitung 4. Ein Verteiler 8 führt den Stoffstrom zur Zuleitung 3. Dieser fließt durch die Schwerkraft nach unten und gelangt durch den Ablauf 4 in einen Sammelkanal 9. Gem. Fig. 10 wird das Flachelement in Form der Doppelglasscheibe mittels einer Halterung 11 besseren Ausnutzung des natürlichen Tageslichtes im Winkel &agr; schräggestellt. Mehrerer dieser Flachelemente können parallel zueinander oder in Reihe angeordnet werden. Eine Vielzahl dieser hintereinander angeordneten Flachelemente 1.1, 1.2 bis 1.2 in Seitenansicht zeigt Fig. 11 und mehrere nebeneinander angeordnete Flachelemente in Vorderansicht Fig. 12. Dabei ist in Fig. 12 jedem Flächenelement 1.1 bis l.n ein Spiegel 7 zugeordnet.This variant is shown in Fig. 9 in the front view and Fig. 10 in the side view. The double-walled pane is open at the top and bottom. The upper opening forms the supply line 3 and the lower opening the discharge line 4. A distributor 8 leads the material flow to the supply line 3. This flows downwards under gravity and passes through the drain 4 into a collecting channel 9. According to Fig. 10, the flat element in the form of the double-glazed pane is inclined at an angle α by means of a holder 11 for better use of natural daylight. Several of these flat elements can be arranged parallel to one another or in a row. Fig. 11 shows a large number of these flat elements 1.1, 1.2 to 1.2 arranged one behind the other in a side view and Fig. 12 shows several flat elements arranged next to one another in a front view. In Fig. 12, each surface element 1.1 to 1n is assigned a mirror 7.
Über eine Pumpe P erfolgt die Rückführung des Stoffflusses vom Sammelkanal zum nächsten Verteiler. Damit wird die Umlaufgeschwindigkeit über den Pumpendruck nach Optimierungskriterien hinsichtlich der zu erreichenden Prozeßparameter (z.B. Wachstumsrate u.a.) bestimmt.The material flow is returned from the collecting channel to the next distributor via a pump P. The circulation speed is thus determined via the pump pressure according to optimization criteria with regard to the process parameters to be achieved (e.g. growth rate, etc.).
Ein möglicher Aufbau eines aus einer Vielzahl von Teilreaktoren Tl, T2 bis Tn zusammengesetzten Reaktors ist in Fig. 13 dargestellt.A possible structure of a reactor composed of a plurality of sub-reactors Tl, T2 to Tn is shown in Fig. 13.
Dabei werden über eine Zuleitung 12 die Rauchgase eines Heizkraftwerkes über eine Nährlösungsversorgungseinrichtung 13 dem Reaktor R zugeführt. Dem Reaktor schließt sich eine Erntevorrichtung 14 für die Mikroalgen an.
5The flue gases of a thermal power plant are fed to the reactor R via a feed line 12 via a nutrient solution supply device 13. The reactor is connected to a harvesting device 14 for the microalgae.
5
Neben den vorgenannt beschriebenen Ausführungsvarianten sind eine Vielzahl weiterer Kombinationsmöglichkeiten der Flachelemente und der Teilreaktoren denkbar.In addition to the design variants described above, a variety of other possible combinations of the flat elements and the partial reactors are conceivable.
Die Teilreaktoren sind vorteilhafter Weise durchThe partial reactors are advantageously
Rückschlagklappen bei Havarie gesichert und mit einemNon-return valves secured in case of accident and with a
Drucksensor versehen, der den Druckabfall für die Gruppe signalisiert.Equipped with a pressure sensor that signals the pressure drop for the group.
Vorzugsweise werden mit dieser Anlage durch Fotosynthese Mikroalgen gezüchtet, die Kohlendioxid verarbeiten. Als Kohlendioxid-Lieferant wird erstmalig aus Heizkraftwerken anfallendes Rauchgas eingesetzt. Das darin enthaltene umweltschädigende CO2 kann damit vollständig abgebaut werden. Mit Beseitigung dieses Schadstoffes werden gleichzeitig erstmalig wertvolle Algen unter Verwendung von CO2 aus Rauchgas gezüchtet.This system is primarily used to grow microalgae through photosynthesis, which process carbon dioxide. For the first time, flue gas from combined heat and power plants is being used as a carbon dioxide supplier. The environmentally harmful CO2 it contains can thus be completely broken down. By eliminating this pollutant, valuable algae are being grown for the first time using CO2 from flue gas.
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Mitteilung für Anmelder: "Anspr.23 sprengt neben Anspr.1-22 den Rahmen der Einheitlichkeit der GM-Anmeldung. Er muß daher ausgeschieden oder gestrichen werden. Bereits jetzt wird hierzu vorsorglich auf US 56 59 977 verwiesen, die Anspr.23 mindestens den erfinderischen Schritt nimmt." |
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