DE102017004049B4 - Modulare Vorrichtung zur Temperierung von Rohr- Mikroalgenphotobioreaktoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine modulare Vorrichtung zur Temperierung von Rohr-Mikroalgenphotobioreaktoren zur Anzucht von Mikroalgen, die den energetischen Wirkungsgrad dermaßen verbessert, dass ein kosteneffizienter Betrieb überwiegend mit erneuerbaren Energien ganzjährig und auch außerhalb von Gewächshausanlagen ermöglicht wird.

Description

• [Beschreibung]
• Die Erfindung betrifft den Wärmetauschprozess einer modularen Vorrichtung zur Temperierung von Rohr- Mikroalgenphotobioreaktoren zur industriellen Anzucht von Mikroalgen unter Ausnutzung des infraroten Anteils des Sonnenlichts, nachfolgend Rohr- PBR genannt, wobei ein modularer Rohr- PBR aus mindestens zwei identischen, miteinander gekoppelten Modulen besteht.
• Im Folgenden wird der Wärmetauschprozess eines Rohr- PBR- Moduls näher erläutert. Konventionelle Rohr- PBR bestehen zur Erzielung einer großen, der Sonnenlichteinstrahlung ausgesetzten Fläche aus einem mäanderförmig geführten, transparenten Rohr großer Länge, das einen geschlossenen Kreislauf einer wässrigen Mikroalgensuspension bildet, der von einer Druckpumpe angetrieben wird. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperierung von Rohr- PBR wird dieses Rohr zentriert innerhalb eines weiteren transparenten Rohrs geführt, nachfolgend Außenrohr genannt, wobei zwischen der Innenfläche des Außenrohrs und der Außenfläche des Innenrohrs ein Raum entsteht, der mittels einer fest angeschlossenen, druckgesteuerten Vakuumpumpe permanent auf ein voreingestelltes Grobvakuum evakuiert ist. Dieses Grobvakuum hat nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit, so dass die im Innenrohr strömende wässrige Mikroalgensuspension die im infraroten Anteil des Sonnenlichts enthaltene Wärmemenge zum großen Teil akkumulieren kann und nur ein geringer Wärmeverlust in Richtung Atmosphäre stattfindet.
• Geht die akkumulierte Wärmemenge über den erforderlichen Wärmebedarf zum Wachstum der Mikroalgen hinaus, muss diese abgeführt werden, damit die optimale Wachstumstemperatur der Mikroalgen in der wässrigen Mikroalgensuspension nicht überschritten wird. Dies wird mittels Wärmetausch in Wärmetauschbehältern realisiert, durch die abschnittsweise das Innenrohr geführt wird. Die Wärmetauschbehälter werden vom Temperierungsfluid eines geschlossenen, von einer Druckpumpe angetriebenen Temperierungskreislaufs durchströmt, wobei die wässrige Mikroalgensuspension im Innenrohr aufgrund von Wärmetauschprozessen die überschüssige Wärmemenge an das Temperierungsfluid des Temperierungskreislaufs abgibt. Im Temperierungskreislauf ist ein Wärmetauscher eingebunden, der sich im Inneren eines externen Tanks für das Temperierungsfluid befindet, wobei die überschüssige Wärmemenge an das Temperierungsfluid abgegeben wird, das sich hierbei erwärmt.
• Diese im Fluid gespeicherte Wärmemenge kann bei Bedarf, ebenfalls durch Wärmetauschprozesse, der wässrigen Mikroalgensuspension wieder zugeführt werden, wobei der Wärmetauschprozess in entgegengesetzter Richtung wie beim Wärmemengenüberschuss abläuft. Die für das Mikroalgenwachstum in einem Rohr- PBR erforderliche Prozesstemperatur wird in der Regel auf diese Weise durch den infraroten Anteil des Sonnenlichts gewährleistet, auch bei geringer Sonneneinstrahlung oder nachts. Reicht beispielsweise durch extrem dunkle Wetterlagen sowohl die Sonneneinstrahlung als auch die im Fluid des externen Fluidtanks gespeicherte Wärmemenge nicht aus, um die erforderliche Prozesstemperatur für das Mikroalgenwachstum zu generieren, wird dem Fluidtank Wärmeenergie durch eine elektrische Widerstandsbeheizung zugeführt, wobei die Möglichkeit besteht, günstigen Strom aus Überschusslagen bei Erneuerbaren Energien, beispielsweise Windenergie, zu nutzen. Der gut isolierte Fluidtank fungiert in diesem Fall als Energiespeicher für Strom aus erneuerbaren Energien. Der gesamte Temperierungsprozess kann elektronisch sensorisch gesteuert auf das optimale Wachstum der unterschiedlichsten Mikroalgenarten angewendet werden.
• [Stand der Technik]
• Generell lehnt sich die erfindungsgemäße modulare Vorrichtung zur Temperierung von Rohr-Mikroalgenphotobioreaktoren an das in einer Reihe von Ausführungsvarianten vielfach zur Erzeugung von Prozesswärme aus Sonneneinstrahlung angewendete Funktionsprinzip von Vakuumröhrenkollektoren an. Diese bestehen aus evakuierten Glasröhren, in denen konzentrisch ein Rohr mit einer die Sonnenstrahlung absorbierenden Schicht angeordnet ist, durch die ein Wärmeträger strömt.
• Das Statistische Bundesamt Deutschlands rechnet bei solarthermischen Kollektoren, die zur Heizungsunterstützung eingesetzt werden, im Jahr mit einem mittleren Ertrag von 120 Watt/m² (Quelle: Solarthermie - Wikipedia), wobei hier Zeiten ohne Sonneneinstrahlung (Nacht) und mit geringer Sonneneinstrahlung (starke Bewölkung) einbezogen sind.
• In mitteleuropäischen Breitengraden liegt das Hauptproblem der industriellen Mikroalgenzucht in den starken Temperaturschwankungen (Sommer-Winter sowie Tag-Nacht), die dem relativ engen Temperaturfenster zur optimalen Anzucht vieler Mikroalgen entgegen stehen. Dem in einem Gewächshaus installierten großen kommerziell genutzten Röhren-PBR in mitteleuropäischen Breiten, der Roquette Klötze GmbH, fehlen technische Mittel zur Temperierung der Mikroalgensuspension sowohl zur Deckung des Prozesswärmebedarfs bei niedrigen Außentemperaturen als auch zur effektiven Kühlung bei hoher Sonnenintensität. Die Folge hiervon ist, dass ein Betrieb in kalten Jahreszeiten aus Gründen der Energieeffizienz nicht realisiert werden kann und es im Sommer bei hohen Gewächshaustemperaturen zu Kühlungsproblemen kommt, die personalintensiv durch manuelles Abspritzen der Kultivierungsrohre mit kaltem Wasser reduziert werden.
• In DE102009045851A wird ein Schlauch-Photobioreaktor beschrieben, der dadurch gekennzeichnet ist, dass ein transparenter oder transluzenter Schlauch aus einem äußeren Schlauch und einem koaxial verlaufenden inneren Schlauch zusammengesetzt ist, wobei ähnlich der erfindungsgemäßen modularen Vorrichtung zur Temperierung von Rohr- Mikroalgenphotobioreaktoren zwei voneinander getrennte Kammern entstehen, von denen eine Kammer zum Transport der Mikroalgensuspension genutzt wird, die andere Kammer zum Transport eines Wärmetauschmediums zum Zweck der Temperierung der Suspension.
• Der wesentliche Nachteil des Schlauch- Photobioreaktors gegenüber der erfindungsgemäßen modularen Vorrichtung zur Temperierung von Rohr- Mikroalgenphotobioreaktoren besteht in der energetischen Ineffizienz, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein ungehinderter Wärmeabfluss vom Außenrohr zur Atmosphäre stattfindet, da sich zwischen Innen- und Außenrohr kein wärmeisolierendes Medium befindet.
• [Aufgabe der Erfindung]
• Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung, die den energetischen Wirkungsgrad von Rohr- PBR dermaßen verbessert, dass ein kosteneffizienter Betrieb überwiegend mit erneuerbaren Energien ganzjährig und auch außerhalb von Gewächshausanlagen ermöglicht wird.
• Die Aufgabe wird mit den erfindungsgemäßen Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Anhand von Zeichnungen wird die modulare Vorrichtung zur Temperierung von Rohr- PBR näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 den Längsschnitt durch das Rohr- in- Rohrsystem mit integrierter Vakuumpumpe
• 2 den Querschnitt durch das Rohr- in- Rohrsystem mit integrierter Vakuumpumpe und Abstandhaltern
• 3 den im transparenten Innenrohr fest angebrachten Verwirbler
• 4 das Prinzip des Wärmetauschs des Rohr- PBR- Moduls
• 5 die Rohrführung des Rohr- PBR- Moduls
• Die 1 zeigt den Längsschnitt durch das Rohr- in- Rohrsystem, wobei zwischen der Innenfläche des transparenten Außenrohrs 3 und der Außenfläche des transparenten Innenrohrs 2 ein Raum 5 entsteht, der mittels einer fest angeschlossenen, druckgesteuerten Vakuumpumpe 6 permanent auf ein voreingestelltes Grobvakuum evakuiert ist.
• Die 2 zeigt den Querschnitt durch das Rohr- in- Rohrsystem mit integrierter Vakuumpumpe 6 und Abstandhaltern 4, durch die das von der wässrigen Mikroalgensuspension 1 durchströmte transparente Innenrohr 2 innerhalb des transparenten Außenrohrs 3 zentrisch fixiert wird.
• Die 3 zeigt einen Längsschnitt durch das transparente Innenrohr 2 mit einem in seinem Innenraum positionierten Verwirbler 16, der aus schraubenförmig verdrehten Flachmaterial, beispielsweise Edelstahlblech, besteht und der die strömende wässrige Mikroalgensuspension 1 dermaßen verwirbelt, dass infolge möglichst viele Mikroalgen in den Bereich der Wandung des transparenten Innenrohrs bewegt werden und am Sonnenlicht partizipieren können. Im Verlauf des transparenten Innenrohrs 2 können mehrere Verwirbler 16 positioniert werden.
• Die 4 zeigt das Prinzip des Wärmetauschs des Rohr- PBR- Moduls ohne Mittel zur Befüllung, Entleerung, Nährstoffzugabe und Strömungserzeugung. Die Rohrbögen des transparenten Innenrohrs 2 sind innerhalb eines Wärmetauschbehälters 9 fest angebracht, wobei deren Außenflächen von einem Temperierungsfluid 13 aus einem Temperierungskreislauf 10 umströmt wird und es so zum Wärmetausch zwischen der wässrigen Mikroalgensuspension 1, dem transparenten Innenrohr 2 und dem Temperierungsfluid 13 aus dem Temperierungskreislauf 10 kommt und die durch Sonneneinstrahlung aufgenommene, über den Wärmebedarf der wässrigen Mikroalgensuspension 1 hinaus gehende Wärmemenge über das Temperierungsfluid 13 des von der Druckpumpe 11 angetriebenen Temperierungskreislaufs 10 mittels Wärmetauscher 12 auf das Temperierungsfluid 13 in einem isolierten Fluidtank 14 übertragen, dort gespeichert und bei Wärmebedarf der wässrigen Mikroalgensuspension 1 infolge ungenügender Sonneneinstrahlung mittels Wärmetausch in umgekehrter Reihenfolge auf diese rückübertragen wird, wodurch die Temperatur der wässrigen Mikroalgensuspension 1 konstant gehalten wird. Die Kopplung des Moduls innerhalb eines Modulverbunds von mindestens zwei identischen Modulen erfolgt über den Zulaufanschluss 18 und den Ablaufanschluss 19.
• Die 5 zeigt die Rohrführung des Rohr- PBR- Moduls. Die Vakuumpumpe 6 und die Leitungsführung zur Verteilung des Vakuums sind nicht dargestellt. Die Rohrbögen 20 des transparenten Innenrohrs 2 sind innerhalb der mindestens zwei Wärmetauschbehälter 9 wasserdicht, die transparenten Außenrohre 3 vakuumdicht fixiert. Die Kopplung des Moduls innerhalb eines Modulverbunds identischer Module erfolgt über den Zulaufanschluss 18 und den Ablaufanschluss 19.
• Bezugszeichenliste

1

wässrige Mikroalgensuspension

2

transparentes Innenrohr

3

transparentes Außenrohr

4

Abstandhalter

5

Raum

6

Vakuumpumpe

9

Wärmetauschbehälter

10

Temperierungskreislauf

11

Druckpumpe

12

Wärmetauscher

13

Temperierungsfluid

14

isolierter Fluidtank

15

elektrische Widerstandsheizung

16

Verwirbler

18

Zulaufanschluss

19

Ablaufanschluss

20

Rohrbögen

Claims (5)

1. Modulare Vorrichtung zur Temperierung von Rohr- Mikroalgenphotobioreaktoren davon gekennzeichnet, dass eine wässrige Mikroalgensuspension (1) ein transparentes Innenrohr (2) durchströmt, dass innerhalb eines ebenfalls transparenten Außenrohrs (3) geführt wird, wobei mindestens ein Abstandhalter (4) für die Zentrierung des transparenten Innenrohrs (2) sorgt, der Raum (5) zwischen der Außenfläche des transparenten Innenrohrs (2) und der Innenfläche des transparenten Außenrohrs (3) mittels einer Vakuumpumpe (6) evakuiert ist und das transparente Innenrohr (2) mindestens einmal durch einen Wärmetauschbehälter (9) geführt wird, in dem die Außenfläche des transparenten Innenrohrs (2) vom Temperierungsfluid (13) aus einem Temperierungskreislauf (10) umströmt wird und es so zu einem Wärmetausch zwischen der wässrigen Mikroalgensuspension (1), dem transparenten Innenrohr (2) und dem Temperierungsfluid (13) aus dem Temperierungskreislauf (10) kommt, wobei die durch Sonneneinstrahlung aufgenommene, über den Wärmebedarf der wässrigen Mikroalgensuspension (1) hinaus gehende Wärmemenge vom Temperierungsfluid (13) des von der Druckpumpe (11) angetriebenen Temperierungskreislaufs (10) akkumuliert, mittels Wärmetauscher (12) auf das Temperierungsfluid (13) in einem isolierten Fluidtank (14) übertragen, dort gespeichert und bei Wärmebedarf der wässrigen Mikroalgensuspension (1) infolge ungenügender Sonneneinstrahlung mittels Wärmetausch in umgekehrter Reihenfolge auf diese rückübertragen wird, wodurch die Temperatur der wässrigen Mikroalgensuspension (1) konstant gehalten wird.
2. Modulare Vorrichtung zur Temperierung von Rohr- Mikroalgenphotobioreaktoren nach Anspruch 1 davon gekennzeichnet, dass durch Verbindung des Ablaufanschlusses (19) des transparenten Innenrohrs (2) der Vorrichtung zur Temperierung von Rohr- Mikroalgenphotobioreaktoren mit dem Zulaufanschluss (18) des transparenten Innenrohrs (2) einer identischen Vorrichtung eine Rohr- Mikroalgenphotobioreaktor-Anlage auf modularer Grundlage entsteht, die mindestens zwei Module umfasst und beliebig erweiterbar ist.
3. Modulare Vorrichtung zur Temperierung von Rohr- Mikroalgenphotobioreaktoren nach Ansprüchen 1 und 2 davon gekennzeichnet, dass sich innerhalb des isolierten Fluidtanks (14) eine elektrische Widerstandsheizung (15) befindet, die das Temperierungsfluid (13) des Fluidtanks (14) zusätzlich erwärmen kann.
4. Modulare Vorrichtung zur Temperierung von Rohr- Mikroalgenphotobioreaktoren nach Ansprüchen 1 bis 3 davon gekennzeichnet, dass die Innenfläche des transparenten Außenrohrs (3) halbseitig verspiegelt ist, wobei das Sonnenlicht auf das transpatente Innenrohr (2) fokussiert und die Lichtausbeute durch Sonnenlichteinstrahlung auf die Mikroalgensuspension (1) im transparenten Innenrohr (2) erhöht wird.
5. Modulare Vorrichtung zur Temperierung von Rohr- Mikroalgenphotobioreaktoren nach Ansprüchen 1 bis 4 davon gekennzeichnet, dass innerhalb des transparenten Innenrohrs (1) mindestens ein Verwirbler (16) aus schraubenartig geformtem Flachmaterial befestigt ist, durch den die strömende Mikroalgensuspension (1) verwirbelt wird, wodurch eine homogene Lichtaufnahme der Mikroalgensuspension (1) erfolgt.

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