JP2012519495A - 光化学プロセスのための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、光化学プロセス、例えば光触媒プロセスおよび／または光合成プロセス、特に、好ましくは光栄養微生物の培養および生産または水栽培のための装置に関する。リアクタ、特にバイオリアクタが備えられており、かつ反応媒体、例えば水溶液または懸濁液がリアクタ内で蛇行状にガイドされる。反応媒体（６）が貫流するリアクタは、垂直かまたはある角度で傾斜しており下で接続された２つの管（３）またはチャンバ（８）で構成された少なくとも１つのリアクタ要素（２）から成る。反応媒体（６）のリアクタ内への導入もリアクタからの排出も、好ましくは連続的に、圧力なしで、大気に開放して、上側の反応媒体表面の上方へ行われる。流体静力学的な圧力および水位の釣合いに基づき、微生物にとってストレスのない反応媒体（６）の流れが生じる。リアクタは、好ましくは透明または半透明の材料から成る管（３）またはチャンバ（８）を、光透過性液体（１４）中に配している。

Description

本発明は、光化学プロセス、例えば光触媒プロセスおよび／または光合成プロセス、特に、好ましくは光栄養微生物の培養および生産または水栽培のための装置に関し、その際、リアクタ、特にバイオリアクタが備えられており、かつ反応媒体、例えば水溶液または懸濁液がリアクタ内で蛇行状にガイドされる。

独国特許第４１３４８１３号Ａ１（特許文献１）から、光栄養微生物のための、ガラスまたはプラスチックから成るバイオリアクタが知られている。培地は、ポンプで搬送されてバイオリアクタを通されるか、または水平に配置したウェブプレートによって蛇行状に下へと導かれる。さらにウェブ材には渦流を生成する手段が取り付けられている。この方法に対応し、二酸化炭素は上に導かれ、稼働には自然光または人工光が使用される。このバイオリアクタは、光源に直角に設置されるか、または光源に追従する。

さらに英国特許第２２３５２１０号Ａ（特許文献２）および独国特許第１９６４４９９２号Ｃ１（特許文献３）からも光栄養微生物または光触媒プロセスのためのバイオリアクタが知られている。

欧州特許第７３８６８６号Ａ１（特許文献４）からは、処理すべき液体が、透明なプラスチックから成る多層ウェブプレートを通ってガイドされる、バイオリアクタ内での光触媒による下水処理が知られている。温度調節のために、半透明の市販の多層ウェブプレートを使用することができる。

さらに国際特許第９８／１８９０３号（特許文献５）には、少なくとも３つのベルトを備えた多層ウェブプレートから成り、能動式または受動式に温度調節可能な、ソーラー素子が記載されている。リアクタ内の層は、光化学プロセスまたは光合成プロセスのために交互に利用される。その際、封止された端面および水平に配置されたウェブプレートを備えた閉じたリアクタ内で、培地は蛇行状に下へと導かれる。

国際特許第２００８／０７９７２４号Ａ２（特許文献６）からは、水槽内に配置されており、反応媒体が水平に貫流するバイオリアクタが知られている。

もちろんアルキメディアン・スクリューおよびダ・ヴィンチの螺旋も、例えばFlorian Manfred Graetz「Teilautomatische Generierung von Stromlauf- und Fluidplaenen fuer mechatronische Systeme」（Diss. Muenchen Techn. Univ. 2006）ISBN 10 3-8316-0643-9（非特許文献１）から知られている。

それだけでなく独国特許第１９５０７１４９号Ｃ２（特許文献７）からは、樋と、電流を得るための発電機とを備えた螺旋水車が知られている。独国特許第４１３９１３４号Ｃ２（特許文献８）からは、エネルギー変換のための螺旋水車が知られている。

もちろん流体静力学的な力の釣合いが、流体静力学のパラドックスとして知られており、パスカルのパラドックスとも言われる。この流体静力学的な力の釣合いとは、液体は液体の充填高さに応じて容器の底に静水圧を生じさせるが、容器の形状は何らの影響も及ぼさないという一見パラドックスのように思われる現象を表している。

連通した容器または連通した管とは、上では開いており下では連結された複数の容器のことである。気圧および重力がそれらの容器に同じように作用するので、均質な流体は複数の容器内で同じ高さである。不均質な液体の場合、液柱の高さは液体の比重と逆の挙動をとる。

上に挙げた幾つかの方法においてもそうであるように、通常はソーラーリアクタ内での移送は商用のポンプ方法によって実施される。この手段は、高圧によってであれ、負圧によってであれ、強い加速によってであれ、または圧搾によってであれ、反応媒体中ではストレスの原因となる。このストレスに曝されると、たいていの光栄養微生物はその潜在的な光合成能力を低下させる。細胞が破壊され、損傷され、かつ／または微生物が、割り当てられたプロセスを完全に再開できるようになる前に再生のための時間および／または代謝生成物を必要とする。同様に、このストレスに曝されると、たいていの光化学プロセスはその潜在的な光触媒能力を低下させる。なぜなら分子が破壊され、もしくは損傷され、かつ／または分子が、割り当てられたプロセスを完全に再開できるようになる前に時間および／またはさらなる酸化剤を必要とするからである。

独国特許第４１３４８１３号Ａ１ 英国特許第２２３５２１０号Ａ 独国特許第１９６４４９９２号Ｃ１ 欧州特許第７３８６８６号Ａ１ 国際特許第９８／１８９０３号 国際特許第２００８／０７９７２４号Ａ２ 独国特許第１９５０７１４９号Ｃ２ 独国特許第４１３９１３４号Ｃ２

Florian Manfred Graetz「Teilautomatische Generierung von Stromlauf- und Fluidplaenen fuer mechatronische Systeme」（Diss. Muenchen Techn. Univ. 2006）ISBN 10 3-8316-0643-9

本発明の課題は、一方では上述の欠点を回避し、他方では簡単かつ経済的な製造において装置の構造方式に基づき、生産または集菌の質的およびとりわけ量的な向上を可能にする、冒頭に引用した種類の装置を提供することである。

この課題は本発明によって解決される。

本発明は、反応媒体が貫流するリアクタが、垂直かまたはある角度で傾斜しており下で接続された２つの管またはチャンバで構成された少なくとも１つのリアクタ要素から成り、反応媒体のリアクタ内への導入もリアクタからの排出も、好ましくは連続的に、圧力なしで、雰囲気に開放して、上側の反応媒体表面の上方へ行われ、かつ流体静力学的な圧力の釣合いおよび水位の釣合いに基づき、微生物にとってストレスのない反応媒体の流れが生じること、およびリアクタが、好ましくは透明または半透明の材料から成る管またはチャンバを、光透過性液体中に配していることを特徴とする。本発明により、光化学プロセス、例えば光触媒プロセスおよび／または光合成プロセス、特に、好ましくは光栄養微生物の培養および生産または水栽培のための設備であって、製造費においても稼働においても昨今の特に品質および稼働安全性に関する経済的要求にかなった設備を製造することが、初めて可能になる。

本発明による装置およびこの装置の基礎となる方法により、微生物にとって優しい移送が達成され、したがって微生物の生産方法の過程での損傷が回避される。もちろんリアクタ要素が満たされていることを前提として、上の液面の領域内で反応媒体を制御して導入することにより、リアクタ要素を通る反応媒体の貫流速度を定めることができる。反応媒体は、直立し相互に結合されたリアクタ要素を通って蛇行状に流れる。リアクタ要素は、入口および出口が上に配置されるように相互に結合されている。リアクタ要素は、上に向かって完全にまたは部分的に開いている。貫流は、流体静力学的な圧力の釣合いを利用して、リアクタ全体における最小限の高さ損失で達成される。バイオソーラーリアクタ内で反応媒体がほとんど加圧および圧迫されずに移送されることにより、反応プロセスの損傷は可能な限り小さくなる。

それだけでなく、このようなバイオリアクタの製造には、最小限の材料消費しか必要でなく、この最小限の材料消費が経済性を向上させる。

本方法およびこれに従う本発明による装置または設備は、例えば下記の適用範囲に使用することができる。
・下水の光触媒処理
・光栄養微生物によるＣＯ_２の酸素への光合成代謝
・研究目的のための光栄養微生物の培養および生産
・光化学プロセスおよび／または光合成プロセスに関する研究
・食品生産物および食品原料のための光栄養微生物の培養および生産
・製薬業の原料のための光栄養微生物の培養および生産
・燃料生産およびエネルギー獲得用の原料および燃料のための光栄養微生物の培養および生産
・化学産業の原料のための光栄養微生物の培養および生産
・光合成プロセス中に有益なガス（例えば水素）を放出する光栄養微生物の培養および生産

反応媒体がリアクタ要素を貫流する際に流体静力学的な力の釣合いを利用することで、場合によってはいっしょに運ばれる微生物が、ほぼストレスなしに移送される。さらに、エネルギーの最適化、定められた光ガイド、スペースの最適化、添加物質の供給、定められた温度調節、所望の制御、およびガス排出の改善を達成することができる。

本発明による装置の重要な利点はさらに、光透過性液体を介して、また反応媒体中に導入すべき物質を介しても、反応媒体の温度を制御できることにある。そのうえ本発明による装置は、温暖地域で使用する際に、光透過性液体が、昼夜の温度変動に対して緩衝液のように作用するという利点をもたらす。これにより全体効率が高められる。

光透過性液体は、好ましくはほぼ生物がいないか無菌であることが望ましく、場合によっては海水の密度を有することが望ましい。シリコーンオイルも使用可能であることが当然に考慮できる。

本発明の特別な特徴によれば、２つ以上のリアクタ要素を結合して１つのリアクタパネルにする際、リアクタ要素間の隔壁は、リアクタ要素の管またはチャンバの間の隔壁より低く形成されており、これにより、リアクタ要素内の液位がリアクタ要素の間の隔壁より高く、かつリアクタパネルが蛇行状に貫流され得る場合に、流出口または連通口が生じる。リアクタ要素は、連通した容器のように形成されている。このようにリアクタ要素を直列に接続することによって、定められた貫流区間を作り出すことができる。

それぞれの光栄養微生物または光化学的要件に適合し、プロセス結果に対応する、最適なリアクタ全体内での滞在期間は、下記のパラメータにより影響を及ぼされ得る。
・貫流速度
・リアクタ要素の断面積
・リアクタ要素の高さ
・導入される非ガス状物質の数および性質
吹き込むガスの性質、数、密度、および圧力
・蛇行状のガイド部として結合されたリアクタ要素の数
・プロセス排ガスを排出する手段
・プロセス温度
・滞在期間および光に対する位置
・熟成槽および／または暗槽内での滞在期間

プロセス全体について、場合によっては、理想的には、および構造的状況が対応していれば、入口から出口へ媒体を１回で連続的に移送することが可能である。

本発明のさらなる特徴によれば、上に開いており、内面が好ましくは光反射性に作製された容器または水槽内に、リアクタを取り巻く光透過性液体が提供されている。それ自体知られているように、光は、光化学プロセス、例えば光触媒プロセスおよび／または光合成プロセスに不可欠な必要条件である。そこで光をバイオソーラーリアクタに最適に供給するために、内面をリフレクタとして形成する。

本発明の一発展形態によれば、光透過性液体の上方、または容器または水槽の上方にリフレクタが設けられており、このリフレクタが、光透過性液体中に光、好ましくは太陽光を、好ましくは液体表面に対して直角に導く。このようなさらなるリフレクタは、プロセスのための光の最適化を向上させる。液体表面に対して、場合によっては垂直に光を導入し、容器内壁を鏡面化することにより、いわば光入射が増強され、これによりプロセスを最適化することができる。

本発明のさらなる一形態によれば、光透過性液体中に導き得る光を集光するために、集光器が設けられており、この集光器は特にリフレクタの前に配置されている。これによっても、プロセスのために、対応した光供給上昇を達成することができる。

本発明の特別な一形態によれば、光透過性液体中に光が導入される前に、特に微生物に有害な波長を除去するためのフィルタが設けられている。このような相応のフィルタにより、プロセスを最適化することができる。

本発明のさらなる特別な一形態によれば、光透過性液体中への光の導入がパルス状に行われる。このプロセスの要件に対応して、パルス状の光供給も、結果をさらに改善させることができる。

本発明の特別な特徴によれば、管は、特にプラスチックから製造されたフィルムチューブから成り、そのフィルムチューブの端部は方向転換機構と密に結合されている。このフィルムチューブは、薄い肉厚を有しており、市場で安価に調達することができる。液体中での圧力なしの液体という状況により、フィルムチューブは、場合によっては起こり得る破損の原因となるかもしれない力に曝されない。つまり実質的にフィルムチューブに負荷は生じないので、長期の寿命を期待することができる。

本発明の代替策としての一実施形態によれば、蛇行状に相互に結合されたチャンバは、平行な縦方向溶着部を有する２枚のフィルムから形成されており、方向転換は方向転換機構を介して行われる。このように溶着されたフィルムの製造も、問題なく、かつ安価である。このような縦方向に溶着されたフィルムは、微生物および栄養素が添加された、光栄養微生物を培養するための懸濁液が、垂直にできるだけ抵抗少なく貫流することを可能にする。

本発明の一形態によれば、方向転換機構は、Ｕ字形で断面が好ましくは楕円形の管部分であり、この管部分が、縦方向溶着部によって形成されたチャンバと結合されている。この方向転換機構は、環境を微生物で汚染する可能性なしに、上側または下側での懸濁液の方向転換を実現する。フィルムチューブリアクタ用の機構の場合、プラスチックフィルムから成る個々のチューブを、管の端部を超えて張って固定する。縦方向に溶着されたリアクタでは、両側が、楕円形の受け管の表面にクランプされる。

本発明の特別な一形態によれば、好ましくは予め作り上げられている方向転換機構はＵ字形の管部分であり、このＵ字形の管部分は、液状および／またはガス状の添加物質をリアクタの下側で反応媒体中に導入するために、またはガス状のプロセス生成物を排出するために、微細孔を備えた挿入管のための少なくとも１つの孔または一体型挿入管を備えている。この下側の方向転換は、微生物に少なくとも１種の液状および／またはガス状の栄養素を供給することを可能にする。プロセスの進行に応じて、方向転換ごとの導入または間隔をあけた導入を行うことができる。

上側の方向転換では、プロセス中に発生するガスまたは余分なガスを吸い出すためにガス管を用いることにより、懸濁液が周囲からの外部の有機体で汚染されることなく、プロセス中に発生するガスまたはその他の物質を、懸濁液の方向転換と同時に排出することができる。

本発明の有利な一発展形態によれば、挿入管は下から上に流れる反応媒体の領域内では、上から下にまたは重力の方向に流れる反応媒体の領域内よりも多数のおよび／または大径の微細孔を備えている。これにより、気泡ポンプの作動方式に対応して、下から上に貫流される管またはチャンバ内の液面が、一種の「ガスリフト効果」で、上から下に貫流される管またはチャンバに比べて持ち上げられる。液面のこの差は、このようなユニットを何個も相前後して接続し、かつそれぞれの昇りの管内により多くのガスを導入すれば、リアクタの構造が液面の上昇を考慮に入れている場合には、最後の管またはチャンバの終端での液面を最初の管またはチャンバに比べて上昇させることができる。好ましくはガス状の添加物質を、このようにより多く導入するにもかかわらず、ストレスのない微生物の移送が行われる。

本発明の一形態によれば、挿入管は両端ともに雄ネジ山および／または雌ネジ山を備えている。ガス管は例えば、袋ナットによって構造ユニットに対して気密に閉鎖できるように作製されている。この袋ナットの少なくとも１つは、ガス導管のための接続部を備えている。

さらにガス管はその雌ネジ山を介して結合部材を備えることができ、この結合部材はさらなるガス管にネジ留めすることができる。

交換のためには、一方の側で袋ナットを外し、結合部材を取り付け、新しいガス管を結合部材の他方の端部に取り付ける。新しいガス管により、交換すべきガス管は構造ユニットを通って押し出され、その際に同時に、交換すべきガス管があった位置に新しいガス管が来る。こうして、最小限のガス損失または液体損失で、交換すべきガス管が新しいガス管により、構造ユニットを通って押し出されることが保証される。この実施形態は、稼働を中断せずに、またはプロセスを最小限しか妨げずに、ガス注入装置を整備または変更することを可能にする。

ガス管の交換は、光バイオリアクタの一部または設備全体内での下記の機能を果たし得る。
・整備のため
・流速の変更のため
・栄養溶液の変更のため
・光栄養微生物の発育段階に栄養溶液を適合させるため
・病気の駆除のため
・微生物の集菌のため
・微生物の一部または全体を滅菌するため

本発明の特別な一形態によれば、リアクタ内およびリアクタ間で反応媒体を移送するために、アルキメディアン・スクリューまたはダ・ヴィンチの螺旋または気泡ポンプが設けられている。このような機構では、１つまたは複数のチューブまたはウェブが、軸上に一重または多重に支承され、螺旋状に巻き付けられており、任意の技術、例えばネジ留め、接着などで安定に固定されている。それぞれのチューブまたはウェブは両端で開いている。この移送要素は、チューブまたはウェブの下端が反応媒体を容器から汲み取るように位置合わせされ、支承される。

ただしチューブまたはウェブは、回転のたびにチューブ端部またはウェブが、反応媒体の外で表面より上に達する程度にしか反応媒体中に潜っていない。

遠心力を実質的に生じさせない螺旋方向での遅い回転により、反応媒体は、流体静力学的な圧力の釣合いを利用して、チューブまたはウェブのそれぞれ下半分において、スクリューの上端へ移送される。回転のたびに、一番上にある半巻き部内に存在する液体が解放され、出発容器に比べて高いところにある容器内に落下する。移送装置を選択的に完全にまたは部分的に密閉することにより、飛散損失および／またはガス排出を回避することができる。

本発明の特別な特徴によれば、設備の密閉構造方式のために、内部に装置が設けられた容器または水槽の上に、透明または半透明の材料から成る覆い、例えばドーム、例えばガラスドームが設けられている。これによりいわゆる温暖地域で使用する場合には、密閉構造方式により、蒸発した液体の回収が可能であるという利点が生じる。

図面に示した例示的実施形態に基づき、本発明をさらに詳しく説明する。

管から成るバイオリアクタを示す図である。 図１に基づく平面図である。 図１に基づく側面図である。 ウェブプレートから成るバイオリアクタを示す図である。 図４に基づく平面図である。 図４に基づく側面図である。 管の概略図である。 「ガスリフト」効果に関する原理図である。 水槽内の光化学プロセス用の装置を示す図である。 光ガイドの概略図である。 フィルムチューブ用の方向転換機構を示す図である。 フィルムチューブ用の方向転換機構を示す図である。 縦方向に溶着されたフィルム用の方向転換機構を示す図である。 縦方向に溶着されたフィルム用の方向転換機構を示す図である。 多層ウェブプレートから成る装置の概略図である。 図１５に基づく装置用の方向転換機構を示す図である。 図１５に基づく装置用の方向転換機構を示す図である。 フィルムチューブの中央部での添加物質の導入を示す図である。 フィルムチューブの中央部での添加物質の導入を示す図である。

図１〜図３によれば、リアクタ、特にバイオソーラーリアクタ１は、少なくとも１つのリアクタ要素２から成り、このリアクタ要素は直立し下方で連結された２本の管３から構成されている。入口４も出口５もリアクタの上縁に設けられている。バイオソーラーリアクタ１の構造に関しては、多数のリアクタ要素２が直列に接続されており、その際、常に１つの出口５が１つの入口４と連結されている。

このようなバイオソーラーリアクタ１は、光化学プロセス、例えば光触媒プロセスおよび／または光合成プロセス、特に、好ましくは光栄養微生物の培養および生産または水栽培のための方法に使用される。バイオソーラーリアクタ１は、稼働のために反応媒体６、例えば水溶液または懸濁液で満たされる。稼働中は、バイオソーラーリアクタ１はその最初の入口４を介してしか供給がなされない。リアクタ要素２内での反応媒体６のガイドまたは流れの方向は、直立に、好ましくは垂直に、上から下にそして下から上に１回行われる。相互に結合された複数のリアクタ要素２が前後に接続されている場合、反応媒体６は蛇行状にリアクタを通って流れる。反応媒体６のバイオソーラーリアクタ１内への導入もしくは送込みまたはバイオソーラーリアクタ１からの排出も、好ましくは連続的に、圧力なしで、大気に開放して、上側の反応媒体表面の上方に、または上の液面の僅かに上方で、または反応媒体６の上の液面の領域内で行われる。

したがって、リアクタ要素２は連通した管３として蛇行状に相互に連結されており、その際、入口４および出口５は上方にある。リアクタ要素２は、完全にまたは部分的に、必要に応じて上に向かって開いている。流体静力学的な圧力および水位の釣合いに基づき、入口４での反応媒体６の送込みによって反応媒体６の流れが生じる。これは、本方法では、微生物にとってストレスのない反応媒体６の流れが生成されることを意味している。これにより、さらなるエネルギーを供給する必要なく、個々のリアクタ要素２の間の自由な流れが可能になる。反応媒体６は、入口４と出口５の間の高さの差を補償しようと液体が努める中で、最小限の高さ損失で蛇行状にリアクタを通って移動する。

図４〜図６に基づき、バイオソーラーリアクタ１の代替の構造様式を示す。このバイオソーラーリアクタ１は、ウェブプレートまたは多層ウェブプレート７から成る。この構造様式では、リアクタ要素２が、ウェブプレートまたは多層ウェブプレート７から構成された好ましくは長方形の直立した２つのチャンバ８から成り、このチャンバは、底が開いている隔壁９によって形成されている。導入または送込みのための入口４も出口５もリアクタの上縁に設けられている。図４に基づき説明した例示的実施形態では、既に２つのリアクタ要素２が結合されている。

２つ以上のリアクタ要素２が結合される場合、リアクタ要素の隔壁１０は、リアクタ要素２の管３またはチャンバ８の間の隔壁９より低く形成される。これにより、リアクタ要素２内の液位がリアクタ要素２の間の隔壁１０より高い場合に、流出口または連通口が生じる。これにより、プロセスステップ間でのポンピングをほぼ廃止でき、任意に多数の、同じまたは異なるプロセスステップを同一の貫流高さで相互に結合できることにより、エネルギー消費が最小化される。

個々のリアクタ要素２は、透明に、または半透明に、または必要であれば遮光性にも作製することができる。材料としては、ガラスまたはＵＶ透過性プラスチック、例えばポリメチルメタクリレートを使用することができる。

このバイオソーラーリアクタ１の充填ならびに稼働は、図１〜図３での実施形態と同様に行われる。

後でより詳しく論じるリアクタ要素２への光入射に関して、図６によれば、傾斜したリアクタが示されている。このリアクタはある角度で傾斜しているが、反応媒体６は上から下にまたは重力の方向に、そして下から上にまたは重力の方向とは逆の方向に１回流れる。

図１および図４によれば、添加物質１２、例えば栄養素の溶液もしくはガスおよび／または酸化剤および／または作用物質および／またはプロセスを促進する溶解物質もしくはガスを、好ましくはプロセス中に、連続式またはバッチ式で導入するために、リアクタの下側で、反応媒体６が方向転換する領域内に、少なくとも１つの導入口１１、例えば制御可能な弁が設けられている。

この方法によれば、反応媒体６は、選択的に、リアクタ内に入る前にＣＯ_２または別のガスで飽和される。この飽和度はプロセスの要求に応じて濃くされ、および／またはリアクタ内に滞在中にＣＯ_２または別のガスを供給される。光合成プロセス中の微生物の絶え間ない成長により低下していく、反応媒体６中のＣＯ_２含有量は、ＣＯ_２の連続式またはバッチ式の導入によって補うことができる。

光化学プロセス中の絶え間ない反応により低下していく反応媒体中の効率は、さらなる作用ガスの連続式および／またはバッチ式の導入によって補うことができる。

図７に基づき、導入口１１を介して液柱の下端で添加物質を導入することにより、反応媒体６中での添加物質の混合および均一な分布が生じる。

添加物質１２、例えば流体およびガスの導入は、さらに光の供給を最適化する。なぜならも、反応媒体６中に発生する渦流によって、全ての分子または光栄養微生物が、リアクタ要素２のうち光で満たされた外壁付近の光ゾーン（矢印１３で示されている）に十分に導かれるからである。

流体およびガスの導入は、反応媒体６中に渦流を形成し、それによりさらなる有利な効果が発揮される。つまりガス小泡の上昇によってリアクタ内面の連続的なクリーニングが行われる。

さらに、確定された流体およびガスの導入により、反応媒体６の加熱または冷却を行うこともできる。したがって、導入される添加物質１２を、反応媒体６の制御された温度調節のために利用することができる。

図８に基づき、液状および／またはガス状の物質または添加物質１２の導入は、下側で、反応媒体６が方向転換する領域内で実施される。リアクタの特別な一実施形態では、下から上にまたは重力の方向とは逆の方向に流れる反応媒体６の領域内では、上から下にまたは重力の方向に流れる反応媒体６の領域内より多量の液状および／またはガス状の物質または添加物質１２を導入する。これにより、既に論じたように気泡ポンプの作動方式に対応して、下から上に貫流される管３またはチャンバ内の液面が、一種の「ガスリフト効果」で、上から下に貫流される管３またはチャンバ８に比べて持ち上げられる。液面のこの差ａは、リアクタ要素２が何個も前後に接続されている場合、それぞれの昇りの管３内により多くのガスを導入することによって、リアクタの構造が液面の上昇を考慮に入れたものであるならば、最後の管３またはチャンバ８の終端での液面を最初の管３またはチャンバ８に比べて上昇させることができる。好ましくはガス状の添加物質１２を、このようにより多く導入するにもかかわらず、微生物にとってストレスのない移送が行われる。

図９に基づき、反応媒体６が貫流するリアクタは、垂直かまたはある角度で傾斜しており下で接続された２つの管３またはチャンバ８で構成された少なくとも１つのリアクタ要素２から成る。多数のこのリアクタ要素２が直列に１つのリアクタパネル１３に結合されている。好ましくは直列に相互に結合されたリアクタパネル１３が、枠状で、互いにほぼ平行に、好ましくは固定して組み立てられて１つのリアクタ、特にバイオソーラーリアクタ１に構成されている。バイオソーラーリアクタ１はそのリアクタパネル１３を、光透過性液体１４中に配している。この光透過性液体１４は、水槽または容器１５内に提供することができる。

反応媒体６のリアクタ内への導入もリアクタからの排出も、好ましくは連続的に、圧力なしで、雰囲気に開放して、上側の反応媒体表面の上方へ行われる。流体静力学的な圧力および水位の釣合いに基づき、微生物にとってストレスのない反応媒体６の流れが生じる。

もちろん実際には図面での表示とは異なり、リアクタパネル１３は直列に相互に１つのバイオソーラーリアクタ１に結合され、導入または排出は１箇所で行われる。

それぞれのリアクタパネル１３の上側は、浮体を備えているかあるいは上から懸架されて固定されており、これによりリアクタ上縁は周囲の液体の上面より下には沈み得ず、したがって上に開いた状況が生じる。

リアクタパネル１３の下側は、自重によるかあるいは追加的なおもりにより、光透過性液体１４中でのほぼ垂直な懸架を可能にするよう作製されている。

既に述べたように、バイオソーラーリアクタ１のリアクタパネル１３の表面に光を供給することが非常に重要である。この前提条件を提供するために、上に開いており、内面１６が光反射性に作製された容器１５または水槽内に、リアクタを取り巻く光透過性液体１４が提供されている。

設備の密閉構造方式のために、内部にバイオソーラーリアクタ１が設けられた容器１５または水槽の上に、透明または半透明の材料から成る覆い、例えばドーム、例えばガラスドームを設けることができる。

バイオソーラーリアクタ１に対する光の状態をさらに改善するために、図１０に基づき、光透過性液体１４の上方、または容器１５または水槽の上方にリフレクタ１７が設けられており、このリフレクタが、光透過性液体１４中に光、好ましくは太陽光１８を、好ましくは液体表面に対して直角に導く。光透過性液体１４中に導き得る光を集光するため、リフレクタ１７の前に、図示されていない集光器を設けることができる。同様に、光透過性液体１４中に光が導かれる前に、特に微生物に有害な波長を除去するためのフィルタを設けることもできる。光透過性液体１４中に光をパルス状に導くことも実施可能である。

図１１および図１２に基づき、管３は、特にプラスチック製で肉薄に製造されたフィルムチューブ１９から成る。このフィルムチューブ１９の端部は方向転換機構２０と密に結合されている。好ましくは予め作り上げられている方向転換機構２０はＵ字形の幹部分であり、このＵ字形の幹部分は、液状および／またはガス状の添加物質１２をリアクタの下側で反応媒体６中に導入するために、またはガス状のプロセス生成物を排出するために、微細孔２２を備えた挿入管２３のための少なくとも１つの孔２１または一体型挿入管２４を備えている。

図１３および図１４に基づき、リアクタパネル１３を形成するための代替の解決策を示す。蛇行状に相互に結合されたチャンバ８が、平行な縦方向溶着部２６を有する２枚のフィルム２５から形成されている。方向転換はここでも方向転換機構２７を介して行われる。方向転換機構２７は、Ｕ字形で断面が好ましくは楕円形の管部分であり、この管部分が、縦方向溶着部によって形成されたチャンバ８と結合されている。

図１５に基づき、多層ウェブプレート７から成るバイオソーラーリアクタ１を示す。この実施形態では、装置が小型装置として作製されており、方向転換機構２８は、ウェブプレート７の上端および下端と密に結合されている。リアクタは、入口４の前またはリアクタからの出口５の後ろにサイフォン２９を備えることができる。このためサイフォン２９により、反応媒体６は加圧されずにまたは圧力なしで最初のリアクタ要素２に送ることができる。リアクタはその下側に、添加物質１２を導入するための挿入管２３を備えている。リアクタの上側には、ガス状のプロセス生成物、例えば酸素を好ましくはプロセス中に排出させるためのさらなる挿入管３０が設けられている。この挿入管３０は、反応媒体表面またはリアクタ要素２の上面より上に設けられている。このガス状のプロセス生成物を排出させるために、反応媒体６の液面またはリアクタ要素の上面より上に設けられた収集機構を備えることができる。

図１６および図１７に基づき、ウェブプレート７から製造されたバイオソーラーリアクタ１用の、個別の部分から成る方向転換機構２８を示す。ここで個々のウェブ材３１は、ウェブプレート７のその時々の内部形状に適合されている。添加物質１２を導入するための挿入管２３は内蔵されている。

図１８および図１９に基づき、添加物質の導入をフィルムチューブ１９のどの高さでも、例えば半分の高さで行い得るフィルムチューブ１９を示す。ここではフィルムチューブ１９をその半分の高さで分断することができ、両方の部分を接続するためにプラスチック中間部材３２が設けられている。このプラスチック中間部材３２は、添加物質１２を導入するために、微細孔を備えた導管３３を備えている。

挿入管２３に関してはさらに、両端ともに雄ネジ山および／または雌ネジ山を備えていることについて言及しておかなければならない。交換のためには、一方の側で袋ナットを外し、結合部材を取り付け、新しいガス管を結合部材の他方の端部に取り付ける。新しいガス管により、交換すべきガス管は構造ユニットを通って押し出され、その際に同時に、交換すべきガス管があった位置に新しいガス管が来る。こうして、最小限のガス損失または液体損失で、交換すべき挿入管２３が新しいガス管２１により、構造ユニットを通って押し出されることが保証される。この実施形態は、稼働を中断せずに、またはプロセスを最小限しか妨げずに、ガス注入装置を整備または変更することを可能にする。

反応媒体６をストレスなく移送するために、リアクタ内でもリアクタ間でも、アルキメディアン・スクリューまたはダ・ヴィンチの螺旋または気泡ポンプを設けることができる。

Claims (15)

1. 光化学プロセス、例えば光触媒プロセスおよび／または光合成プロセスのための装置、特に、好ましくは光栄養微生物の培養および生産または水栽培のための装置であって、リアクタ、特にバイオリアクタが備えられており、かつ反応媒体、例えば水溶液または懸濁液がリアクタ内で蛇行状にガイドされる装置において、反応媒体（６）が貫流するリアクタが、垂直かまたはある角度で傾斜しており下で接続された２つの管（３）またはチャンバ（８）で構成された少なくとも１つのリアクタ要素（２）から成り、反応媒体（６）のリアクタ内への導入もリアクタからの排出も、好ましくは連続的に、圧力なしで、雰囲気に開放して、上側の反応媒体表面の上方へ行われ、かつ流体静力学的な圧力および水位の釣合いに基づき、微生物にとってストレスのない反応媒体（６）の流れが生じること、およびリアクタが、好ましくは透明または半透明の材料から成る管（３）またはチャンバ（８）を、光透過性液体（１４）中に配していることを特徴とする装置。
2. ２つ以上のリアクタ要素（２）が結合されて１つのリアクタパネル（１３）になっており、リアクタ要素間の隔壁（１０）が、リアクタ要素（２）の管（３）またはチャンバ（８）の間の隔壁（９）より低く形成されており、それにより、リアクタ要素（２）内の液位がリアクタ要素（２）間の隔壁（１０）より高い場合に、流出口または連通口が生じ、リアクタパネル（１３）が蛇行状に貫流され得ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 上に開いており、内面（１６）が好ましくは光反射性に実施された容器（１５）または水槽内に、リアクタを取り巻く光透過性液体（１４）が提供されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 光透過性液体（１４）の上方、または容器（１５）または水槽の上方にリフレクタ（１７）が設けられており、前記リフレクタが、光透過性液体（１４）中に光、好ましくは太陽光（１８）を、好ましくは液体表面に対して直角に導くことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の装置。
5. 光透過性液体（１４）中に導き得る光を集光するため、集光器が設けられており、前記集光器が特にリフレクタ（１７）の前に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 光透過性液体（１４）中に光が導かれる前に、特に微生物に有害な波長を除去するためのフィルタが設けられていることを特徴とする請求項４または５に記載の装置。
7. 光透過性液体（１４）中への光の導きがパルス状に行われることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一つに記載の装置。
8. 管（３）が、特にプラスチックから製造されたフィルムチューブ（１９）から成り、前記フィルムチューブの端部が方向転換機構（２０）と密に結合されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の装置。
9. 蛇行状に相互に結合されたチャンバ（８）が、平行な縦方向溶着部（２６）を有する２枚のフィルム（２５）から形成されており、方向転換が方向転換機構（２７）を介して行われることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の装置。
10. 方向転換機構（２７）が、Ｕ字形で断面が好ましくは楕円形の管部分であり、前記管部分が、縦方向溶着部（２６）によって形成されたチャンバ（８）と結合されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 好ましくは予め作り上げられている方向転換機構（２０、２７、２８）が、液状および／またはガス状の添加物質（１２）をリアクタの下側で反応媒体（６）中に導入するために、またはガス状のプロセス生成物を排出するために、微細孔（２２）を備えた挿入管（２３、３０）のための少なくとも１つの孔（２１）または一体型挿入管（２４）を備えたＵ字形の管部分であることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一つに記載の装置。
12. 挿入管（２３、３０）が、下から上に流れる反応媒体（６）の領域内では、上から下にまたは重力の方向に流れる反応媒体（６）の領域内よりも多数のおよび／または大径の微細孔（２２）を備えていることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 挿入管（２３、３０）が、両端ともに雄ネジ山および／または雌ネジ山を備えていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 反応媒体（６）を移送するために、リアクタ内にもリアクタ間にもアルキメディアン・スクリューまたはダ・ヴィンチの螺旋または気泡ポンプが設けられていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の装置。
15. 設備の密閉構造方式のために、内部に装置が設けられた容器（１５）または水槽の上に、透明または半透明の材料から成る覆い、例えばドーム、例えばガラスドームが設けられていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一つに記載の装置。

Images