用於光化學過程的方法和裝置的製作方法

2023-04-29 20:01:41

專利名稱：用於光化學過程的方法和裝置的製作方法
用於光化學過程的方法和裝置 本發明涉及用於光化學(例如光催化和/或光合成)過程(特別用於繁殖和製備 或水培(優選光養)微生物的方法，其中反應介質(例如水溶液或懸浮液)以曲折方式引 入反應器中。此外，本發明涉及用於實施所述方法的裝置。從DE 41 34 813 Al中已知了用於光養微生物的生物反應器，其由玻璃或塑料制 成。將培養介質泵送或者以曲折方式通過水平定位的壁板(Stegplatte)向下引導經過該 生物反應器。此外，湍流產生機構位於該壁(Steg)中。依照該方法，在頂部引入二氧化碳， 使用自然或人工光操作。該生物反應器與該光源成直角定位或追蹤其。此外，從GB 2 235 210 A和DE 196 44 992 Cl中還已知了用於光養微生物或用 於光催化過程的生物反應器。從EP 738 686 Al中已知了在生物反應器光催化淨化廢水，其中將待清潔的液體 引導通過由透明塑料製成的多壁板(Stegmehrfachplatte)。為了調節溫度，能夠使用常規 的半透明多壁板。而且，在WO 98/18903中描述了由具有至少三個帶(Gurt)的多壁板製成的有源或 無源的可調溫的太陽能元件。該反應器內的層交替用於光化學或光合過程。由此，將培養 介質以曲折方式向下引入具有密封的前部和水平定位的壁板的密封反應器中。當然還從例如 Florian Manfred GratZ"Teilautomatische Generierung von Stromlauf-und Fluidpl3nen filr mechatronische Systeme，，(Miinchen Tech. Univ.的論 文2006) ISBN 10 3-8316-0643-9中已知了阿基米德(Archimedisch)螺旋和達文西(Da Vinci)螺線。此外，從DE 195 07 149 C2中已知了具有槽和用於發電的發電機的水力螺杆。從 DE 41 39 134 C2中已知了用於能量轉化的水力螺杆。自然地，力的流體靜壓平衡稱作流體靜壓佯謬，也稱作帕斯卡(Pascal)佯謬。該 佯謬描述了這樣的現象，液體在容器底部根據該液體的填充高度產生重力壓力，但是容器 的形狀卻不受影響。頂部開口且底部連接的容器稱作連通器或連通管。均質流體在這些中具有相同的 高度，因為空氣壓力和重力對該容器具有相等的作用。在非均質液體的情況下，液柱的高度 與其比重成反比。通常，太陽能反應器中的輸送是通過常規泵送方法進行的，正如在上述的一些方 法中。該程序對反應介質中的微生物產生應激，這是由於高壓、負壓、強的加速度或擠壓所 致。受到該應激的作用，大多數光養微生物喪失了其潛在的光合能力。細胞被破壞、損傷和 或在其能夠完全復原分配給其的該過程之前微生物需要用於再生的時間和/或代謝產物。 同樣地，大多數光化學過程在該應激下其潛在的光催化能力也受到降低，因為分子被破壞 或損傷和/或在其能夠完全復原分配給其的該過程之前需要時間和/或額外的氧化劑。此外，從DE 29 51 700 C2中已知了太陽能發電機，其固定到懸掛在建築物上的吊 臂軸上。本發明的目的是產生上述類型的方法，其一方面避免了上述缺點，另一方面能使產率或收成(Ernte)在性質上並且尤其是數量上得以提高。依照本發明的所述方法的特徵在於該反應介質的曲折輸送是垂直地或以一定角 度傾斜地從上到下或以重力方向以及從下到上或逆著重力方向進行至少一次，以及該反應 介質引入該反應器中和從其中除去都優選是以連續、沒有壓力或在反應介質的上表面自由 通向大氣的方式進行，其中由於該流體靜壓補償和趨平補償，產生對於微生物是無應激的 的反應介質流動。使用本發明，第一次可以實現微生物的平緩輸送，使得防止了在其製備方 法過程中的損害。通過將該反應介質受控引入該上部液面區域中，能夠限定通過該反應器 單元的該反應介質的流過速度，當然前提是該反應器單元是充滿的。該反應介質以曲折方 式流動通過該彼此垂直連通的反應器單元。該反應器單元以入口和出口都位於上方的方式 彼此連接。該反應器單元朝向頂部完全或部分敞開。通過利用在整個反應器內高度損失最 小的流體靜壓補償實現了該流過。由於該反應介質在生物太陽能反應器中很大程度上無壓 力和無重力感輸送，因此對反應過程的影響儘可能小。例如，依照本發明的方法能夠用於以下應用領域-廢水的光化學和/或光合淨化-通過光養微生物將CO2光合代謝成氧氣-繁殖和製備用於研究目的的光養微生物 -研究光化學和/或光合過程-繁殖和製備用於食品和食品材料原料的光養微生物-繁殖和製備用於製藥工業的原料的光養微生物-繁殖和製備用於燃料和用於燃料製備和發電的原料的光養微生物-繁殖和製備用於化學工業的原料的光養微生物-繁殖和製備光養微生物，其在光合過程中發出可利用的氣體(例如氫氣)在該反應介質流動通過該反應器單元時，通過利用流體靜力學補償能夠近似進行 該任選一併輸送的微生物的無應激輸送。此外，可以實現能量的優化、特定的光傳導、空間 的優化、供給添加劑、特定的溫度控制、有針對性地調節以及氣體回收的提高。依照本發明的另一特別特徵，優選在該過程中，優選在底端，向該反應介質的轉向 區域中連續或分批引入液體和/或氣體添加劑，例如營養溶液和/或氧化劑和/或活性物 質和/或促進該過程的溶解物質。這樣，能夠受控和優化引入營養溶液和過程促進的溶液 以及受控和優化引入營養氣體和過程氣體。該反應介質中的所有介入都是優選在該反應器 單元的底端進行的。依照本發明的另一實施方式，通過將該添加劑在該液柱的底端引入，將該添加劑 徹底混合併均勻分布在該反應介質中。這樣，通過氣體的上升產生反應介質的渦流。依照本發明的特別另一發展，該可引入的添加劑在特定溫度下引入。這樣，通過流 入的氣體和/或營養溶液實現了熱調節。依照本發明的特別特徵，該液體和/或氣體物質或添加劑是在該反應介質的轉向 區域中在底端引入的，其中在從下到上或逆著重力的方向流動的反應介質的區域中，與在 從上到下或以重力的方向流動的反應介質的區域中相比，引入了更大量的液體和/或氣體 物質或添加劑。這樣一依照氣力升降機(Mammutpump)的操作過程一在從下到上流過的 管或腔室中的液面與從上到下流過的管或腔室相比以「氣升效應」的方式升高了。這種液面差能夠導致在多個串聯連接的這種單元和將更多量的氣體在各個上升管中引入的情況 中最後一個管或腔室末端的液面與第一個管或腔室相比升高了，如果在該反應器的構造中 考慮了該液面的升高的話。儘管更多地引入了添加劑、優選氣態添加劑，但仍能夠無應激地 輸送該微生物。依照本發明的另一特別特徵，優選在該過程中，通過該反應介質表面進行氣態過 程產物(例如氧氣)的去除。這樣，能夠實現有害物質的受控和優化的降低，由此該優化的去除也可以收集氣 態過程產物。 依照本發明的另一特別發展，該反應器以可旋轉方式跨水平的太陽軌跡的整個拱 形調節或控制以與太陽照射(Sormeneinstrahlimg)相適應。這樣，實現了用於生物太陽能 反應器的太陽照射的優化。因此，在不同生物太陽能反應器中為用於各種各樣不同應用的 光養微生物提供優化的天然照明用於光合過程，其在性質和所需繁殖順序方面是適合的。 此外，在一天中能夠對其進行匹配和/或改變光行為。能夠實現微生物對太陽照射的提高 以及降低的暴露，用於更好地利用光或用於保護不受過強的輻照。此外，提供用於實施所述方法的裝置也是本發明的目的。用於實施依照所述方法的本發明的裝置，其中提供由管子構成的反應器，特別是 生物反應器，特徵在於該反應器由至少一個反應器單元構成，該反應器單元是由兩個在底 部連接的垂直管形成的，以及入口和出口都提供在反應器上部邊緣。本發明的用於實施所述方法的可替代裝置，其中提供具有由壁板或多壁板製成的 元件的反應器，特別是生物反應器，特徵在於該反應器由至少一個反應器單元構成，該反應 器單元是由兩個、優選為矩形的、由壁板或多壁板形成的垂直的腔室形成的，其由在底部敞 開的分隔壁，以及入口和出口都提供在反應器上部邊緣。該反應器，特別是生物反應器，能夠由透明的、半透明的、塗覆的和未塗覆的材料 製成。同樣，該管或壁板能夠由玻璃或對於光或UV光透明的塑料製成，例如聚甲基丙烯酸 甲酯。該反應器單元能夠由滿足上述需求的常規的且任選經過機械加工以及特別整理的元 件構造。該反應器單元以確保從上到下和從下到上的連續曲折流過的方式設置。通往該反 應器的入口和離開該反應器的出口提供在上部區域中。由於流體靜壓力補償，該反應介質在進入該反應器中之後以垂直曲折方式流動通 過整個反應器。一旦其到達最後的反應器單元，該反應介質離開該流體靜壓生物反應器，並 被無壓力地或沒有壓力地引入熟化罐或接收容器或另一反應器。從接收容器可以最終處理 反應介質或者無應激地進行中間存儲或者進一步處理。依照本發明的特別特徵，將用於使兩個或更多個反應器單元連接成反應器面板的 分隔壁設計得比反應器單元的管或腔室之間的分隔壁更低，作為其結果在該反應器單元內 的液面高於該反應器單元之間的分隔壁時產生溢流或連通開口。將反應器單元設計為連通 容器。通過將反應器單元以這種類型的串聯連接成反應器面板，提供了產生限定流程的選 擇。可以通過以下參數影響在整個反應器內的最佳停留時間，該最佳停留時間適配各 個光養微生物或光化學需求和滿足工藝結果-流過速度
-反應器單元的橫截面-反應器單元的高度-引入的非氣態物質的數量和條件；吹入的氣體的條件、數量、密度和壓力-在曲折方式輸送中連接的反應器單元的數量-去除過程廢氣的可能性-過程溫度
-停留時間和朝向光的位置-在熟化罐和或暗罐中的停留時間任選地，在理想情況下和相應的結構條件下，對於整個過程，可以將該介質從入口 到出口獨特地連續輸送。依照本發明的特別實施方式，將優選彼此串聯連接的該反應器面板設置到反應器 中，所述反應器面板彼此平行並優選固定安裝在框架狀的夾緊裝置中，能夠通過至少一個 優選垂直的軸使用旋轉裝置相對於該光入射調節該反應器，由此能夠將該反應器提供(特 別地固定、懸掛或漂浮)在浮體上。由於這種夾緊裝置和這類軸承，朝向太陽照射的任意角 度都是可以的。通過依照太陽軌跡或追蹤太陽進行控制來實現光的優化。例如，對於特定 應用，能夠通過移開或遮蔽在中午時間實現減少暴露。由於光養微生物僅在接近表面的區域中經過優化光合過程，以及通過過多的UV 照射損害影響吸收和分裂，因此對該反應器單元的外部區域以及內部都進行是有利的。過強的直接照射的UV光會損壞或損害該微生物的生長，並將反應介質的溫度提 高到超過理想水平，必須再次將其冷卻。由於反應介質的徹底混合，所有光養微生物都以充分的程度到達接近外壁的該反 應器單元的充滿光的光區域。對於光催化氧化，如果所有分子都被引入該反應器單元內部的外壁附近的該反應 器單元的充滿光的光區域，這是有利的。在大多數情況中與光源幾乎平行的定位或該反應器平行地追蹤該太陽照射將是 足夠的，因此能夠整體更好地利用空間。此外，幾乎平行照射的光被反應器表面部分反射並可供相對置的反應器利用。在較弱的太陽照射、較差的地理位置的情況中，或者在光養微生物或光催化過程 特別需要光的情況中，能夠將該反應器選擇為以任意角度朝向該光源的位置。在用於可使生物太陽能反應器追蹤太陽的優選變型方案中，將其頂部和任選的底 部固定安裝在該太陽能構件中，使得在該太陽能構件追蹤太陽照射時該反應器面板不改變 朝向彼此的位置，而是轉動整個太陽能構件。該反應器面板(能夠是平坦的或匯集到單個 管中、透明的、半透明的、塗覆的和未塗覆的)以可使其適用於分批地於靜置的培養介質中 和/或連續地於流動的培養介質中的微生物的繁殖的方式設置。依照本發明的進一步發展，提供傳感器以掌握該太陽軌跡，通過其控制用於該反 應器的針對光入射的轉動。通過適合的傳感器確定太陽軌跡並作為同步的或任意界定的轉 動傳遞到該反應器上。自然，也能夠使用與坐標、時間和日期相關的數據進行控制。依照本發明的特別進一步發展，用於該反應器的光入射是通過人工照明進行的。 該反應器能夠以其能夠供給能量以及有利地用於光養微生物的照明介質能夠固定的方式和方法構造。依照本發明的特別實施方式，在由多個反應器構成的系統中光入射的轉動優選對於所有反應器是同步的。在由多個反應器構成的系統中，該整個系統的所有反應器的旋轉 能夠以使得通過將該反應器面板幾乎與太陽照射平行定位而不會遮擋依據一個基本排列 位於後方的進一步的該反應器的方式同步。這樣，能夠確保太陽光的理想進入。依照本發明的進一步發展，該反應器面板和/或該反應器的至少部分，特別是外 表面，設計為反射光。這樣，能夠提高天然或人工照明的作用。依照本發明的另一特別特徵，優選在該過程期間，為了連續或分批引入添加劑，在 反應介質的轉向區域中在反應器的底部提供至少一個引導入口，該添加劑例如為營養溶液 或營養氣體和/或氧化劑和/或活性物質和/或促進該過程的溶解物質或氣體。該反應介質能夠在進入該反應器中之前可選擇地富含有溶解在液體中的物質，其 滿足該微生物的需要或該過程的需要，和/或在通過的過程中在該反應器中供給流體營養 素或氧化劑。能夠通過連續和/或分批引入營養溶液來補償在光合過程中由微生物的穩定生 長造成的反應介質中營養素含量的降低。同樣能夠通過連續和/或分批引入另外的活性物質來補償由持續反應造成的在 光化學過程中反應介質效率的降低。為了引入流體營養素或氧化劑，在該反應器單元的底部通過可控閥門產生進料可 能性。由於該反應介質的曲折輸送和/或由於流體活性物質的上升，在整個反應器中確保 徹底混合和分布。自然地，也能夠以這種方式引入氣態營養素、氧化劑或活性物質。由於氣泡的上升，引入的氣體導致該反應器內表面的自清潔。在該反應器單元的 底部還提供了用於檢測該過程進展的樣品取出點。依照本發明的特別特徵，為了將添加劑引入該反應器單元和/或反應器面板的轉 向區域中，提供針對管，優選連續管，特別是具有微鑽孔的氣體管設備的鑽孔。該鑽孔以確 保該反應器面板的各反應器單元中反應器介質的加氣和混合的方式設置在該氣體管上。依照本發明的特別實施方式，在從下到上或逆著重力的方向流動的反應介質的區 域中，與在從上到下或以重力的方向流動的反應介質的區域中相比，該氣體管具有更大數 量的微鑽孔和/或具有更大直徑的微鑽孔。這樣，在設備技術上實現了前述「氣升效應」。依照本發明的另一發展，該氣體管在兩端都具有外部和/或內部螺紋。例如，該氣 體管以能夠使用鎖緊螺母將其與該組合件氣密隔離的方式設計。這些鎖緊螺母中的至少一 個具有針對氣體管線的連接件。此外，該氣體管能夠經過其內部螺紋具有連接件，其又能夠旋到另一個氣體管上。為了替換，將該鎖緊螺母在一端旋下，安裝該連接件，將新的氣體管安裝到該連接 件的另一端。使用該新的氣體管，將該待替換的氣體管推動通過該組合件並由此同時佔據 其位置。這樣，確保了使用該新的氣體管在氣體損失或液體損失最小的情況下將待替換的 氣體管推動通過該組合件。該設計可以在不中止操作或僅對該過程具有最小影響的情況下 維修或改變該進氣單元。依照本發明的另一特別特徵，為了除去氣態過程產物，優選在該過程中產生的氣態過程產物，例如氧氣，提供了去除出口，其提供在該反應介質表面上方或該反應器單元的 上表面上方。由於該反應器單元中的無壓力狀態，在該光合或光化學過程中形成的氣態過 程產物(例如代謝產物)能夠在該反應介質中自由上升。通過該反應器單元朝向頂部的該完全或部分敞開構造，該氣態過程產物能夠逸出 和/或抽空。通過在該過程中形成的氣泡的上升促進了該過程廢氣的去除，和/或任選地通過 另外吹入的氣體進行對該過程廢氣去除的控制。依照本發明的實施方式，為了除去氣態過程產物，能夠提供具有提供在該反應介 質的液面上方或在該反應器單元的上表面上方的去除出口的收集裝置。因此，能夠將該氣 態過程產物收集並任選地提供用於進一步利用或處置。通過封閉的構造方式還能夠避免由 於蒸發和/或由於洩漏損失的反應介質並對氣體進行受控排放和收集。依照本發明的有利的進一步發展，在該入口之前和/或在出口之後提 供虹吸管。 到反應器的流入物位於上部區域中。能夠通過虹吸管無壓力地或沒有壓力地且任選氣密地 將該反應介質引入該第一反應器單元，並在反應器之後通過另一虹吸管沒有壓力地且任選 氣密地將其引導離開。依照本發明的特別特徵，在反應器內部以及在反應器之間提供阿基米德螺旋或達 芬奇螺線用於輸送該反應介質。在這種設置的情況中，將一個或多個管或壁螺旋卷繞在具 有一個或多個軸承的軸上，並使用任意技術(例如用螺絲擰緊、粘合等)牢固安裝。相關地 管或壁在兩端都敞開。該輸送單元以使得該管或壁的底端從容器中汲取反應介質的方式對 準並支撐。然而，管或壁僅以如下程度浸漬到該反應介質中，在各自旋轉時該管端部或壁從 該反應介質外的表面上出現。通過以螺線方向緩慢旋轉，其不會導致任何顯著的離心力，在利用流體靜壓補償 下該管或壁的相應下半部中的反應介質被輸送到該螺旋的上端。在各旋轉作用下，上部半 匝中包含的液體釋放並下降到位於比原始容器更高的水平上的容器中。通過交替完全或部 分關閉該輸送裝置，能夠防止洩漏損失和/或氣體排出。在附圖中所示的示例性實施方式的基礎上更詳細地解釋本發明。附圖顯示了

圖1是由管子構成的生物反應器，圖2是依照圖1的頂視圖，圖3是依照圖1的側視圖，圖4是由壁板構成的生物反應器，圖5是依照圖4的頂視圖，圖6是依照圖4的側視圖，圖7是管子的示意圖，圖8是「氣升」作用的示意圖，圖9和10是應用該「氣升」作用的示意圖，圖11是具有阿基米德螺旋的生物反應器，圖12是生物太陽能反應器，圖13和14是在該生物反應器上的太陽照射的示意圖。
依照圖1 3，反應器(特別是生物太陽能反應器1)包括至少一個反應器單元2， 其由兩個在底部連接的垂直管3形成。在反應器上部邊緣處提供了入口 4和出口 5。為了 裝配該生物太陽能反應器1，將多個反應器單元2串聯連接，由此出口 5總與入口 4相連。這種生物太陽能反應器1用於針對光化學過程(例如光 催化和/或光合過程)的 方法，特別用於繁殖和製備或水培(優選光養)微生物。對於其操作，用反應介質6(例如 水溶液或懸浮液)充滿該生物太陽能反應器1。在操作過程中，該生物太陽能反應器1僅 通過其第一入口 4供給。該反應介質6的輸送或流動方向是豎直進行的，優選垂直進行，在 反應器單元2中從上到下和從下到上進行一次。如果多個彼此連通的反應器單元2串聯連 接，該反應介質6以曲折方式流動通過該反應器。該反應介質6引入或供給到該生物太陽 能反應器1以及從其中除去都優選是連續進行的，沒有壓力並經過該反應介質上表面或接 近該上液面上方或在上液面的區域中自由進入大氣中。因此該反應器單元2以曲折方式作為連通管3彼此相連，其中該入口 4和出口 5 位於頂部。根據需要，該反應器單元2完全或部分朝頂部敞開。由於流體靜壓補償和趨平 補償，通過在入口 4處供給反應介質6產生了反應介質6的流動。對於該方法，這意味著產 生了對於微生物無應激的反應介質6的流動。這樣，能在各個反應器單元2之間形成自由 流動，而不必施加任何其它能量。該反應介質6曲折地運動通過該反應器，在用於對液體補 償入口 4和出口 5之間的高度差的努力中具有最小的高度損失。依照圖4 6顯示了用於生物太陽能反應器1的備選的設計。該生物太陽能反應 器1由壁板或多壁板7組成。在這種設計的情況中，反應器單元2由兩個由壁板或多壁板7 形成的優選為矩形的垂直腔室8組成，該腔室由在底部敞開的分隔壁9形成。用於引入或 供給的入口 4和出口 5都提供在反應器上部邊緣處。在依照圖4的示例性實施方式中兩個 反應器單元2已經連接。如果連接兩個或更多個反應器單元2，那麼其分隔壁10設計低於反應器單元2的 管道3或腔室8之間的分隔壁9。因此，在該反應器單元2中的液面高於該反應器單元2之 間的分隔壁10時產生溢流或連通開口。這樣，由於在該過程步驟之間能夠在很大程度上省 去泵以及能夠將任意數量的相同或不同過程步驟在相同流過水平相互連接，那麼能量消耗 最小化。所述各個反應器單元2能夠設計為透明或半透明的，或者如果需要還有不透光 的。能夠使用玻璃或UV透射塑料作為材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯。以類似於圖1 3的設計的方式填充和操作該生物太陽能反應器1。關於該反應器單元2上的光入射(後面將更詳細地描述)，依照圖6顯示了傾斜的 反應器。儘管該反應器傾斜一定角度，但該反應介質6仍從上到下或以重力方向以及從下 到上或逆著重力方向流動一次。依照圖1和圖4，優選在該過程中，為了連續或分批引入添加劑12(例如營養溶液 或營養氣體和/或氧化劑和/或活性物質和/或促進該過程的溶解物質或氣體)，在該反應 器的底部在該反應介質6的轉向區域中，提供至少一個引導入口 11(例如可控閥門)。依照 所述方法，該反應介質6可選地在進入該反應器之前用CO2或其它氣體飽和。根據該過程的 需要將該飽和度濃縮和/或在該反應器中的停留過程中供給CO2或其它氣體。能夠通過連 續和/或間歇引入CO2補償在該光合過程中由於微生物的穩定生長而造成的反應介質6中CO2含量的降低。 能夠通過連續和/或間歇引入另外的活性氣體補償在該光化學過程中的持續反 應而造成的反應介質的效率降低。通過依照圖7將該添加劑經過弓丨導入口 11在該液柱底部引入，該添加劑徹底混合 並在該反應介質6中均勻分布。添加劑12 (例如流體和氣體)的引入還優化了光的供應，因為所有分子或光養微 生物由於該反應介質6中產生的渦流都充分引導到接近外壁的該反應器單元2的充滿光的 光區域，由箭頭13所示。流體和氣體的引入在該反應介質6中產生渦流，由此實現了另一個有利的效果， 即由於氣泡的上升造成該反應器內表面的連續清潔。此外，通過流體和氣體的特定引入還能夠加熱或冷卻該反應介質6。因此該引入的 添加劑12能夠用於該反應介質6的受控溫度調節。依照圖8，在該反應介質6的轉向區域中的底部引入該液態和/或氣態物質或添加 劑12。在該反應器的特定實施方式中，在從下到上或逆著重力的方向流動的反應介質6的 區域中，與在從上到下或以重力的方向流動的反應介質6的區域中相比，引入更大量的液 態和/或氣態物質或添加劑12。這樣，如前所述以及依照氣力升降機的操作過程，在從下到 上流過的管3或腔室中的液面與從上到下流過的管3或腔室相比以「氣升效應」的方式升 高了。這種液面差a能夠導致在多個串聯連接的反應器單元2和在各上升管3中引入更多 的氣體的情況中，最後一個管3或腔室末端的液面與第一個管3或腔室相比升高了，如果在 該反應器的設計中考慮了該液面的升高的話。儘管添加劑12，優選氣態添加劑，的引入增加 了，但仍能夠無應激地輸送該微生物。依照圖9，例如如果該反應器的基底提高了相同程度，那麼在具有串聯連接的反應 器單元2的相同結構設計的反應器設計中考慮這種升高。在應用「氣升效應」情況下，該反應器面板18以沿面板軸一定角度的定位提供了 以下優點將該介質在入口開孔4中弓丨入反應器面板18中，由此該反應器面板沿該面板軸傾 斜一定角度，使得該入口 4的位置低於出口 5。由於該「氣升效應」，其在該反應器面板18的 每個第二管中產生更高的水柱，且儘管存在該較高的液面該介質仍能夠流向下一個管並形 成如此升高的連通容器。該傾斜度最大設置為在不會導致在反應器單元2中分隔該兩個液柱的該壁9的反 向溢流的角度。如果超過了該最大可能的角度，那麼該介質將會在通過該管3之後流回到該介質 之前行經的管中，在該管3中介質逆重力作用流動，由此產生具有氣升循環的封閉迴路。通過改變該反應器面板18的傾斜度和該氣壓或氣體量，能夠調節該「氣升效應」 的所需落差，由此隨著該液體上邊緣的水平的升高，導致對流速的控制。在另一種應用實例中(圖10)，如果由於很少或沒有氣體引入而沒有發生「氣升效 應」，也能夠通過傾斜一定角度來控制該流速。將該反應介質6在入口 4中引入反應器面板18，該反應器面板沿該面板軸傾斜一 定角度，使得該入口 4的位置高於該出口 5。
儘管在各個反應器單元2之間液面的流體靜壓水平補償仍有效，然而在反應器面 板18的各個反應器單元2中分別產生了小的落差，其對通過該反應器面板18的流速具有 加速的作用。
該傾斜度最大設置為不會導致以從入口 4到出口 5的方向在反應器單元2中分隔 該兩個液柱的該壁9的溢流的角度，因為在這種情況下在該管3中不產生流動，而該介質將 會僅經該壁9進一步向上流動，該反應器單元2中的介質將會進入停滯狀態。通過改變該反應器面板18的傾斜度和該氣壓/氣體量，能夠調節所需的落差，由 此隨著該液體上邊緣的水平的降低，導致對流速的控制。因此，通過下面列出的實施例的方式能夠利用該「氣升效應」利用水的上部邊緣的升高-另外的高度用於沉降槽-另外的高度以克服反應器彼此之間或過程步驟之間的流程-通過向下流動的水操作水力旋流器。-流過過濾器-從反應介質中分離產物。-流過用於再次利用該介質的準備系統在該整個系統中不使用另外的泵能量利用水的上部邊緣的不變性-不損失在該過程的該階段中用於克服的高度。-流速的良好控制。-適度的渦流(供應光和預防膜的形成)和經濟操作，如果在該過程中恰好需要很 少氣體。利用水的上邊緣的較小降低-不大地損失在該過程的該階段(下遊氣升)中用於克服的高度-流速的良好控制-渦流所需的氣體最小化(供應光和預防膜的形成)並因此經濟操作，如果在該過 程中恰好需要很少氣體。目的是以使得除了在經濟合理的位置進行氣升之外不必使用另外的能量用於該 介質在整個系統內流動的方式控制整個系統。為了將添加劑12引入該反應器單元2和/或反應器面板18中的轉向區域內，提 供針對管，優選連續的管，特別是具有微鑽孔22的氣體管21設備的鑽孔20。為了增加該氣 體添加劑12的引入，在從下到上或逆著重力的方向流動的反應介質6的區域中，與在從上 到下或以重力的方向流動的反應介質6的區域中相比，該氣體管21具有更大數量的微鑽孔 22和/或具有更大直徑的微鑽孔。為了快速替換該氣體管21 (圖8)，在其兩端具有外部和/或內部螺紋23。該氣體 管21，例如，以能夠使用鎖緊螺母將其與該組合件氣密隔離的方式設計。這些鎖緊螺母中的 至少一個具有用於氣體管線的連接件。此外，該氣體管能夠經過其內部螺紋具有連接件24，其又能夠旋到另一個氣體管 21上。
為了替換，將該鎖緊螺母在一端旋下，安裝連接件24和將新的氣體管21安裝到該 連接件24的另一端。使用該新的氣體管21，將該待替換的氣體管21推動通過該組合件並 由此同時佔據其位置。這樣，確保了使用該新的氣體管21在氣體損失或液體損失最小的情 況下將待替換的氣體管21推動通過該組合件。該設計可以在不中止操作或僅對該過程具 有最小影響的情況下維修或改進該進氣設備作為上述「氣升」的替代方式或另外的可能選擇，該生物太陽能反應器1能夠具有 依照圖11的阿基米德螺旋14。該阿基米德螺旋14或達文西螺線用於在該反應器內以及在 反應器部件或反應器之間輸送該反應介質6。在該入口 4之前以及在出口 5之後分別提供 虹吸管15。自然地，該虹吸管15也能夠獨立於該阿基米德螺旋14位於該入口 4之前或該反 應器的該出口 5之後。能夠將反應介質6通過虹吸管15無壓力地或沒有壓力地引向該第 一反應器單元2。在用於在生物太陽能反應器1中連續光催化和光合過程和輸送的方法中，優選使 用阿基米德螺旋14或達文西螺線。特別地，如果該反應介質6的輸送需要克服高度差。使 用阿基米德螺旋14或達文西螺線實現了一個或多個無應激輸送。該裝置能夠用於以下應 用-輸送，用於將反應介質6多次通過同一反應器。-在一系列任選不同的一次或多次通過的反應器和/或熟化罐之間輸送。-將反應介質6在罐和任意類型的生物反應器之間交替單次或多次輸送。-在罐之間單次或多次輸送反應介質。如前面簡要提及的那樣，在該生物太陽能反應器1之前和/或之後，能夠提供用於 特別是連續的光化學或光合過程的熟化罐(未示出)。該流體靜壓的熟化罐具有與流體靜 壓的生物反應器類似設計的曲折的反應器單元2，其能進行垂直流。該熟化罐能夠由不透光 的材料製成，因為光養微生物在休眠階段中僅需要適當的溫度、營養素和排放代謝廢物的 可能性。而且，在該反應器單元2中那個使用與該生物反應器成比例的更大的橫截面，以調 節休眠時間並節省空間。反應介質6的所需的基本無壓力或沒有壓力的輸送是如下實現的在整個運輸過程中，除了由於該反應介質6自身重量而在該輸送單元內部產生的 之外，該反應介質6不經受任何其它壓力。由於轉速低，因此該反應介質6不經受任何值得 提及的離心力。該微生物的發育或該過程的進展不被該輸送所打斷或擾亂。通過使用以「阿 基米德螺旋」或達文西螺線的流體靜壓補償確保維持了該無壓力狀態。該過程能夠在沒有 應激、加速度和壓力的情況下進行。在整個輸送過程中，該反應介質6不經過任何比由於該反應介質的自由流動在該 輸送單元內部產生的更高的重力感。該微生物的發育或該過程的進展不被該輸送所打斷或 擾亂。排除了例如由泵造成的對該微生物或分子的細胞壁的磨損損傷和損害。通過使用以 「阿基米德螺旋」或達文西螺線的流體靜壓補償確保維持了該無重力感的狀態。優選在該過程中，為了除去氣態過程產物，例如氧氣，提供了去除出口 16，其提供 在該反應介質表面上方或該反應器單元的上表面上方。為了除去這些氣態過程產物，能夠 提供具有去除出口 16的收集裝置17，該收集裝置提供在該反應介質6的液面上方或在該反應器單元的上表面上方。依照圖12，能夠設計可調節到光入射的該生物太陽能反應器1。在較弱的太陽照 射、較差的地理位置的情況中，或者在光養微生物或光催化過程特別需要光的情況中，將該 生物太陽能反應器1以旋轉方式跨水平的太陽軌跡的整個拱形調節或控制以與太陽照射 相適應。優選彼此串聯連接的該反應器面板18以彼此幾乎平行並優選固定安裝在框架狀 的夾緊裝置25中的方式設置在反應器內。能夠通過至少一個優選垂直的軸26使用旋轉裝 置相對於該光入射調節該生物太陽能反應器1，其中能夠將該反應器提供(特別地固定、懸 掛或漂浮)在浮體上。為了掌握該太陽軌跡，能夠提供傳感器，或使用與坐標、時間和日期相關的數據， 通過其控制用於該反應器的光入射的轉動。形式上，必須注意用於該反應器的光入射也可以通過人工照明進行 。在由多個反應器構成的系統中，轉動能夠針對光入射同步，優選針對所有反應器 同步。為了能更好地利用該光射線，也能夠將該反應器面板18和/或該反應器的至少一 部分(特別是外表面)設計為反射光。依照圖13，由反應器單元2形成的反應器面板18以使得示意性表示的該光或太陽 射線19以與面板軸成約直角入射的方式設置。依照圖14，提供優選彼此連接的多個反應器面板18並以使得該光或太陽射線19 幾乎與該太陽能面板的軸平行運行的方式設置。在特定的設計變型中，該反應器面板18懸掛設置和/或站立固定在上部和/或下 部固定器中或夾緊裝置25中。該固定器或夾緊裝置25能夠滿足以下功能-作為旋轉單元的作用，以跟隨該太陽照射。-相對於整個系統的其它部件升高或降低該反應器。-傾斜功能，用於將該反應器朝向太陽傾斜。-固定該反應器面板18。_用於將該反應器面板18以曲折方式連接。-用於能夠將各個反應器單元氣密密封。_用於將至少一個反應器面板18以一定角度沿該面板軸傾斜。該固定器能夠將至少兩個到任意數量的反應器面板18容納為一個反應器。這樣能使反應器靠近定位和或相鄰定位，這可以最大程度地利用空間。所述方法能使在光線下的反應器狀態和黑暗中的休眠狀態以及無應激的輸送方 面得到最佳的組合。這樣，能夠建立連續的單循環過程或單一部件的模塊化的受控的多次通過。在實際反應之前，能夠主要對該反應介質6供給支持該生物反應從在富集槽中開 始的營養素和營養氣體。在廢水處理或汙染物清除的情況中，能夠使用相關汙染物在反應 介質中產生對於光養微生物適當的最大最初富集。該反應介質6能夠理想地控制溫度，能夠以特定量引入相關光養微生物或用於該反應的化學物質。能夠在反應介質6中控制並調節溫度、工藝流體含量、過程氣體含量、循環、徹底 混合、光的提供、代謝產物的排放，以維持理想的反應條件。上述方法以有利的方式解決了以下問題-在太陽能反應器中連續的光催化和光合過程和輸送
-在該過程中控制和優化能量消耗-控制和優化營養溶液和促進該過程的溶液的引入-控制和優化營養氣體和過程氣體的引入-控制和優化有害物質的降低-優化氣態過程產物的去除和收集_控制和優化光的提供-最小化光引導所用的空間_控制和優化過程溫度-微生物在反應介質6中無應激輸送。-控制流速。
權利要求
用於光化學過程，例如光催化和/或光合過程的方法，特別是用於繁殖和製備或水培微生物，優選光養微生物，其中反應介質，例如水溶液或懸浮液，以曲折方式引入反應器中，其特徵在於該反應介質(6)的曲折輸送垂直地或以一定角度傾斜地從上到下或以重力方向以及從下到上或逆著重力方向進行至少一次，且該反應介質(6)引入該反應器中和從其中除去都優選是連續地、沒有壓力或經過反應介質的上表面自由通向大氣而進行的，其中由於該流體靜壓補償和趨平補償，產生對於微生物是無應激的的反應介質(6)的流動。
2.權利要求1的方法，其特徵在於優選在該過程中，優選在底端在該反應介質(6)的 轉向區域中進行連續或分批引入液體和/或氣體添加劑(12)，例如營養溶液和/或氧化劑 和/或活性物質和/或促進該過程的溶解物質。
3.權利要求2的方法，其特徵在於通過該添加劑(12)在液柱的底端引入，將該添加 劑(12)徹底混合併均勻分布在該反應介質(6)中。
4.權利要求2或3的方法，其特徵在於該可引入的添加劑(12)在特定溫度引入。
5.權利要求2 4中一項或多項的方法，其特徵在於該液體和/或氣體物質或添加 劑(12)是底端在該反應介質(6)的轉向區域中引入的，其中在從下到上或逆著重力的方向 流動的反應介質(6)的區域中，與在從上到下或以重力的方向流動的反應介質(6)的區域 中相比，引入了更大量的液體和/或氣體物質或添加劑(12)。
6.權利要求1 5中一項或多項的方法，其特徵在於優選在該過程中，通過該反應介 質表面進行氣態過程產物，例如氧氣，的去除。
7.權利要求1 6中一項或多項的方法，其特徵在於該反應器以旋轉方式跨水平的 太陽軌跡的整個拱形調節或控制以與太陽照射相適應。
8.用於實施權利要求1 7中一項或多項的方法的裝置，其中提供由管子構成的反應 器，特別是生物反應器，其特徵在於該反應器由至少一個反應器單元(2)構成，所述反應 器單元是由兩個在底部連接的垂直管(3)形成的，且入口(4)和出口(5)都提供在反應器 上部邊緣。
9.用於實施權利要求1 7中一項或多項的方法的裝置，由此提供具有由壁板或多壁 板製成的元件的反應器，特別是生物反應器，其特徵在於該反應器由至少一個反應器單元 (2)構成，該反應器單元是由兩個優選為矩形的、由壁板或多壁板(7)形成的垂直的腔室 (8)形成的，其由在底部敞開的分隔壁(9)分開，且入口(4)和出口(5)都提供在反應器上 部邊緣。
10.權利要求8或9的裝置，其特徵在於將用於使兩個或更多個反應器單元(2)連接 成反應器面板(18)的分隔壁(10)設計得比反應器單元(2)的管(3)或腔室(8)之間的分 隔壁(9)更低，作為其結果在該反應器單元(2)中的液面高於該反應器單元(2)之間的分 隔壁(10)時產生溢流或連通開口。
11.權利要求10的裝置，其特徵在於將優選彼此串聯連接的該反應器面板(18)以彼 此平行並優選固定安裝在框架狀的夾緊裝置(25)中的方式設置到反應器中，能夠通過至 少一個優選垂直的軸(26)使用旋轉裝置相對於該光入射調節該反應器，其中將該反應器 提供，特別地固定、懸掛或漂浮在浮體上。
12.權利要求11的裝置，其特徵在於提供傳感器以掌握該太陽軌跡，通過其控制用於該反應器的針對光入射的轉動。
13.權利要求11的裝置，其特徵在於針對該反應器的光入射是通過人工照明進行的。
14.權利要求11 13中一項或多項的裝置，其特徵在於在由多個反應器構成的系統 中針對光入射的轉動是同步的，優選對於所有反應器是同步的。
15.權利要求11 14中一項或多項的裝置，其特徵在於該反應器面板(18)和/或 該反應器的至少部分，特別是外表面，設計為反射光。
16.權利要求8 15中一項或多項的裝置，其特徵在於為了連續或分批引入添加劑 (12)，例如營養溶液或營養氣體和/或氧化劑和/或活性物質和/或促進該過程的溶解物 質或氣體，優選在該過程中，在反應器底部在反應介質的轉向區域提供至少一個引導入口 (11)。
17.權利要求16的裝置，其特徵在於為了將添加劑引入該反應器單元(2)和/或反 應器面板(18)的轉向區域中，提供針對管的，優選連續管的，特別是具有微鑽孔(22)的氣 體管(21)設備的鑽孔(20)。
18.權利要求17的裝置，其特徵在於在從下到上或逆著重力的方向流動的反應介質 (6)的區域中，與在從上到下或以重力的方向流動的反應介質(6)的區域中相比，該氣體管 (21)具有更大數量的微鑽孔和/或具有更大直徑的微鑽孔。
19.權利要求16或17的裝置，其特徵在於該氣體管(21)在兩端都具有外部和/或 內部螺紋(23)。
20.權利要求8 19中一項或多項的裝置，其特徵在於優選在該過程中，為了除去氣 態過程產物，例如氧氣，提供了去除出口(16)，該去除出口提供在該反應介質表面上方或該 反應器單元(2)的上表面上方。
21.權利要求20的裝置，其特徵在於為了除去氣態過程產物，提供具有反應器單元去 除出口(16)的收集裝置(17)，該收集裝置提供在該反應介質的表面上方或在該反應器單 元的上表面上方。
22.權利要求8 21中一項或多項的裝置，其特徵在於在該入口(4)之前和/或在 出口(5)之後提供虹吸管(15)。
23.權利要求8 22中一項或多項的裝置，其特徵在於在反應器內部以及在反應器 之間提供阿基米德螺旋(14)或達文西螺線，以輸送該反應介質(6)。
全文摘要
本發明涉及用於光化學(例如光催化和/或光合過程)的方法和裝置，特別用於繁殖和製備或水培優選光養微生物的上述方法和裝置。提供了反應器，特別是生物太陽能反應器(1)，其由至少一個反應器單元(2)組成。該反應器單元(2)是由兩個在底部相連的垂直管(3)形成的。此外，在反應器上部邊緣提供入口(4)和出口(5)。該反應介質(6)的曲折輸送是垂直地或以一定角度傾斜進行的，從上到下或以重力方向以及從下到上或逆著重力方向進行至少一次。該反應介質(6)引入該反應器中和從其中除去都優選是連續、沒有壓力或經過反應介質的上表面自由通向大氣進行的，其中由於該流體靜壓補償和趨平補償，產生對於微生物是無應激的反應介質(6)的流動。
文檔編號C12M1/00GK101970636SQ200980103791
公開日2011年2月9日 申請日期2009年1月27日 優先權日2008年1月31日
發明者F·埃明格, M·莫爾 申請人:伊科杜納公司