(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
設備（１６）であって、閉鎖された第一の空間（１４）と、閉鎖された前記第一の空間（１４）との間での所定のガス移送のために設けられた少なくとも１つのポンプユニット（１２）を備える移送装置と、前記第一の空間（１４）から分離し且つ前記設備（１６）の環境を形成する第二の空間（１８）とを備える設備（１６）であって、
前記少なくとも１つのポンプユニット（１２）は、選択的酸素ポンプとして具体化され、前記選択的酸素ポンプは、酸素が存在する場合に一般的なガス混合物とは関係なく選択的に酸素を、前記第一の空間から送出することと、前記第一の空間から前記第二の空間へ移送することと、前記第二の空間から送出することと、前記第二の空間から前記第一の空間へ移送することとの少なくとも１つを行うものであり、
前記設備（１６）は、
供給された二酸化炭素（ＣＯ２）を受け取り、酸素（Ｏ２）を光合成により生成し、かつ酸素（Ｏ２）を産出するための少なくとも１つのフォトバイオリアクタユニット（３６）を備え、前記フォトバイオリアクタユニット（３６）は前記第一の空間に配置され、
前記少なくとも１つのポンプユニット（１２）は、ポンプ流の極性に応じて、前記第一の空間（１４）と前記第二の空間（１８）との間での双方向の酸素移送のために、前記第一の空間（１４）から前記第二の空間（１８）への酸素（Ｏ２）の選択的な移送のために設けられる少なくとも１つの酸化ジルコニウム要素（２０）を有することを特徴とする設備。
【請求項２】
前記少なくとも１つのポンプユニット（１２）は、前記少なくとも１つの酸化ジルコニウム要素（２０）を加熱するために設けられる少なくとも１つの加熱要素（２２）を有することを特徴とする、請求項１に記載の設備。
【請求項３】
前記少なくとも１つのポンプユニット（１２）の前記少なくとも１つの酸化ジルコニウム要素（２０）は、ドープ酸化ジルコニウム要素により実施されることを特徴とする、請求項１または２に記載の設備。
【請求項４】
前記少なくとも１つのポンプユニット（１２）は、特定的かつ選択的に酸素（Ｏ２）を分離するために設けられることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の設備。
【請求項５】
前記少なくとも１つのポンプユニット（１２）は、少なくとも１つの動作状態において、少なくとも１つのガスを電気的に還元するために設けられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の設備。
【請求項６】
前記少なくとも１つのポンプユニット（１２）は、前記第一の空間（１４）および前記第二の空間（１８）の少なくとも一方に還元されたガスを蓄積するために設けられることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の設備。
【請求項７】
前記ポンプユニット（１２）の少なくとも２つの面（２８、３０）の間の電圧差を捕捉するための少なくとも１つの測定ユニット（２６）を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の設備。
【請求項８】
前記少なくとも１つの測定ユニット（２６）は、前記第一の空間（１４）と前記第二の空間（１８）との間の圧力差を、前記電圧差に基づいて推測するために設けられることを特徴とする、請求項７に記載の設備。
【請求項９】
前記設備がフォトバイオリアクタ設備として実施されることを特徴とする、請求項１に記載の設備。
【請求項１０】
反応領域（３４）の外にある前記第一の空間（１４）内の絶対酸素部分分数を、前記移送装置（１０）を介して制御および調整の少なくとも一方を行うための制御調整ユニット（３２）を備える請求項１に記載の設備。
【請求項１１】
前記設備は、前記第一の空間（１４）に配管を介してバルブ（４０）により接続されるガスタンク（３８）を備え、
前記フォトバイオリアクタユニット（３６）の反応のために、二酸化炭素（ＣＯ２）が前記ガスタンク（３８）から前記第一の空間（１４）へと送られ、二酸化炭素（ＣＯ２）の量は前記バルブ（４０）を介して制御されることを特徴とする、請求項１〜１０の何れか一項に記載の設備。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の設備（１６）を動作させる方法。
【請求項１３】
前記方法の少なくとも１つの工程において、反応領域（３４）の外にある前記第一の空間（１４）内の絶対酸素部分分数が、前記移送装置（１０）を介して制御されるか、調整されるか又はその両方が行われることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記方法の少なくとも１つの工程において、前記移送装置（１０）は、少なくとも１つの安全関係の動作状態をモニタするか、調整するか又はその両方を行うために使用されることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記方法が低減重力または過重力の条件下で実行されることを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記方法が現地資源利用の応用において実行されることを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記方法が環境制御装置内で実行されることを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
設備（１６）の閉鎖された第一の空間（１４）と、前記第一の空間（１４）から分離している第二の空間（１８）との間での所定のガス移送のために設けられた少なくとも１つのポンプユニット（１２）を備える移送装置において、
前記少なくとも１つのポンプユニット（１２）は、選択的酸素ポンプとして具体化され、前記第一の空間（１４）から前記第二の空間（１８）への酸素（Ｏ２）の選択的な移送のために設けられる少なくとも１つの酸化ジルコニウム要素（２０）を有し、
前記酸化ジルコニウム要素（２０）は、前記第一の空間（１４）に接続された中空空間（４６）を形成し、
前記少なくとも１つのポンプユニット（１２）は、前記第一の空間（１４）から前記中空空間（４６）へと突出する案内管（４８）をさらに備え、
前記案内管（４８）は、前記中空空間（４６）に流入するガスを案内するものであり、ガスが前記案内管（４８）を介して前記中空空間（４６）に流入可能であり、前記中空空間（４６）内にあるガスは、有利な循環が実現するために、前記中空空間（４６）の、前記案内管（４８）と前記酸化ジルコニウム要素（２０）との間のギャップに流入し、前記中空空間（４６）から出ることを特徴とする移送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移送装置、設備、及び該設備を動作させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
設備の第一の閉鎖された空間と、第一の空間から分離している第二の空間との間での所定のガス移送のために提供される少なくとも１つのポンプユニットを備える移送装置がすでに提案されている。この種の移送装置は、例えば、フォトバイオリアクタの第一の閉鎖された空間からガスを送出するために使用されるが、これは、ＣＯ２が連続的にまたはある量ずつ追加されながらバイオリアクタが継続的に動作すると、第一の空間内の圧力が上昇するためである。この場合、ガス混合物全体のうちの一部が送出され、その結果、通常は酸素Ｏ２、二酸化炭素ＣＯ２、および窒素Ｎ２がその空間から送出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第３２２４１４３号明細書
【特許文献２】米国特許第４８６８１２３号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００８／２２０５１４号明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開第００４７４３４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、特に、ガス移送、特に選択的なガス移送の制御に関して、およびガス比の制御に関して改良された特性を有する汎用装置を作製することである。この目的は、本発明によれば、請求項１の特徴により実現され、本発明の有利な実施例およびさらなる発展形態は従属項から推測できる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、設備、特にフォトバイオリアクタの閉鎖された第一の空間と、第一の空間から分離している第二の空間との間での所定のガス移送のために提供される少なくとも１つのポンプユニットを有する移送装置に基づく。
【０００６】
少なくとも１つのポンプユニットが選択的酸素ポンプとして具体化されることが提案される。好ましくは、ポンプユニットは電気化学的酸素ポンプにより実施される。優先的に、移送装置は、フォトバイオリアクタ移送装置により実施される。「移送装置」とは、特に、これに関して、設備のための流体、特にガスの所定の供給または搬出のために提供される設備の装置であると理解されるものとする。好ましくは、それは特に、設備の少なくとも１つの閉鎖された空間からの所定のガス移送のために提供される装置と理解されるものとする。
【０００７】
移送装置を介して、例えば、相互に分離している少なくとも２つの空間の間の圧力補償および／またはガスの移送、特に選択的移送が実現可能である。「フォトバイオリアクタ移送装置」とは、特に、これに関して、フォトバイオリアクタのための流体、特にガスの所定の供給または搬出のために提供されるフォトバイオリアクタの移送装置であると理解されるものとする。さらに、これに関して、「ポンプユニット」は特に、少なくとも１種の流体を搬送するために提供されるユニットであると理解されるものとする。好ましくは、それは特に、相互に分離している少なくとも２つの空間の間での直接的な所定のガス移送のために提供されるユニットであると理解されるものとする。この場合、ガスの移送は、相互に分離している２つの空間の間の圧力差とは関係なく実現可能である。さらに「閉鎖された空間」とは、特に、これに関して、少なくとも１つの動作状態で好ましくは設備の動作中において、自由な空気の流れおよび環境に関して環境から少なくとも実質的に遮断され、および／または閉鎖されている空間と理解されるものとする。優先的に、それは特に、空間からおよび／または空間へと物質が意図せずに移送されることが防止され、または少なくとも制限される空間であると理解されるものとする。好ましくは、空間は、環境に対しておよび／または少なくとも１つの隣接する空間に対して気密状態に閉鎖される。「設備」とは、特に、これに関して、少なくとも１つのリアクタおよび／または少なくとも１つのプロセスを備える装置であると理解されるものとする。優先的に、それは、生理化学的、生化学的、および／または生物学的プロセスのための少なくとも１つのリアクタを備える装置であると理解されるものとする。特に好ましくは、それは特に、プロセス内で酸素を放出する少なくとも１つのリアクタを備える装置であると理解されるものとする。「フォトバイオリアクタ設備」とは、特に、これに関して、特に人工的な技術的環境における微生物、例えば藻類、シアノバクテリア、苔類、細菌、フィトセル培養物、および／またはその他の微生物の生成および／または培養のために提供されるリアクタまたは設備であると理解されるものとする。好ましくは、それは特に、エネルギーを得るために生成され、および／または培養された微生物の光合成プロセスを利用する、特に、二酸化炭素（ＣＯ２）を光により結合し、かつ光合成により酸素（Ｏ２）を産生するためのリアクタまたは設備であると理解されるものとする。さらに、これに関して、「選択的酸素ポンプ」とは、特に、とりわけ酸素について選択的なポンプユニットであると理解されるものとする。優先的に、それは特に、ポンプユニットであって、それによって酸素が選択的に送出されるポンプユニットであると理解されるものとする。好ましくは、それは特に、ポンプユニットであって、それによって一般的なガス混合物とは関係なく酸素（存在する場合）が選択的に空間から送出され、および／または他の空間へと移送されるポンプユニットであると理解されるものとする。
【０００８】
「提供される」とは、特に具体的にプログラムされ、設計され、および／または装備されていることを意味する。特定の機能のために提供される物体は、特に、その物体が少なくとも１つの利用状態および／または動作状態において前記特定の機能を満たし、および／または実行すると理解されるものとする。
【０００９】
本発明による移送装置を実施することにより、酸素は、有利には、必要に応じて特定的かつ選択的に移送されてもよい。これにより、設備、特にフォトバイオリアクタ設備の特に第一の閉鎖された空間内の酸素濃度を目的に基づいて制御し、低下させ、および／または増大させることができる。このようにして、有利には、ガス移送の制御およびガス比ならびに／または全体的な圧力の同時制御が実現可能となる。好ましくは、これにより、特に完全に電気的に動作する移送装置を提供することができる。
【００１０】
少なくとも１つのポンプユニットが、第一の空間から第二の空間への酸素の選択的な移送のために提供される少なくとも１つの酸化ジルコニウム要素を備えることも提案される。優先的に、酸化ジルコニウム要素は酸化ジルコニウムセラミックにより実施される。好ましくは、酸化ジルコニウム要素は、イオン伝導体として、および／または固形電界質として機能するように提供される。特に好ましくは、さらに、ポンプユニットのポンプ速度は、適用される電流定格および／または酸化ジルコニウム要素の形状、特に表面積により特に影響を受ける。好ましくは、ポンプ性能、すなわち単位時間あたりの体積流量、および特に吸引側および吐出側の両方での実現可能な圧力は、ポンプ流量、動作温度を介して、かつポンプユニットの幾何学的寸法によって調整および／または構成されてもよい。移送装置により、さらに、プロセスの酸素産生速度、特に酸素（Ｏ２）の光合成速度または酸素移送速度が決定されてもよい。好ましくは、酸化ジルコニウム要素は、周辺圧力での第一の空間から第二の空間への酸素の選択的な移送のために提供される。「酸化ジルコニウムセラミック」とは、特に、これに関して、テクニカルセラミックを意味する。好ましくは、酸化ジルコニウムセラミックは、非金属鉱物材料から具現化される。酸化ジルコニウムセラミックは特に、他の酸化物、例えば酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、および／または酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）で安定化される。しかしながら、原理上、当業者が好都合と考える他のセラミックおよび／または要素、例えばセラミックおよび／もしくは酸化チタン、酸化バナジウム、酸化ニオビウム、ならびに／または灰チタン石を備える要素も想定可能であり、酸化物はそれぞれ他の酸化物により安定化されてもよい。第一の空間の動作圧力は１０−１Ｐａ（１０−３ｍｂａｒ）〜１０４Ｐａ（１００ｂａｒ）であってもよい。第二の空間の動作圧力も１０−１Ｐａ（１０−３ｍｂａｒ）〜１０４Ｐａ（１００ｂａｒ）であってよい。これにより、特に、とりわけ信頼性の高いポンプユニットを提供できる。さらに、このようにして、ポンプユニットの有利に柔軟なポンプ流量を実現できる。それに加えて、適当な構成により、動作のための消耗品の定期交換が不要となる。そのためにオペレータの時間を割く必要がない。そのため、必要な資源の削減も実現可能である。動作上のロバストネスが高く、したがって、宇宙空間での使用にとって好ましい移送装置が提供され得る。特に、可動部品のないポンプユニットが提供され得る。好ましくは、特に完全に電気的に動作する移送装置が提供され得る。
【００１１】
さらに、少なくとも１つのポンプユニットは、少なくとも１つの酸化ジルコニウム要素を加熱するために提供される少なくとも１つの加熱要素を備えることが提案される。好ましくは、少なくとも１つの加熱要素は、酸化ジルコニウム要素を動作温度まで加熱し、特にそれをこの温度に保つために提供される。優先的に、少なくとも１つの加熱要素は、酸化ジルコニウム要素を少なくとも５００℃の動作温度、特に好ましくは５００℃〜７００℃の動作温度まで加熱し、かつ実際にそれをこの温度に保つために提供される。「加熱要素」とは、特に、これに関して、要素が熱出力を生成するために提供されていると理解されるものとする。それは好ましくは、特に、エネルギー、特に電気エネルギーを熱エネルギーに変換するために提供される要素であると理解されるものとする。当業者が好都合と考える加熱要素の様々な実施方法が想定可能である。加熱要素は、例えば、マイクロ波加熱要素として、抵抗加熱要素として、および／または特に好ましくは赤外線加熱要素として実施されてもよい。これにより、有利には、最適な動作温度の酸化ジルコニウム要素が提供され得る。これにより、さらに、最適な酸素移送が可能となる。特に、このようにして、高効率レベルのポンプユニットが実現可能である。
【００１２】
少なくとも１つのポンプユニットの少なくとも１つの酸化ジルコニウム要素が、ドープ酸化ジルコニウム要素により実施されることも提案される。好ましくは、酸化ジルコニウム要素には、例えば酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）がドープされる。しかしながら、原理上、酸化ジルコニウム要素は非ドープ酸化ジルコニウム要素ならびに／またはドープおよび非ドープ酸化ジルコニウム要素の組合せによって実施されることも想定可能である。このようにして、有利に有効なポンプユニットが提供され得る。さらに、特に、酸化ジルコニウム要素の有利に高いイオン伝導性も実現可能である。
【００１３】
さらに、少なくとも１つのポンプユニットの少なくとも１つの酸化ジルコニウム要素が、ポンプ流の極性に応じて、第一の空間と第二の空間との間での双方向の酸素移送のために提供されることも提案される。優先的に、これは特に、酸素が第一の空間から第二の空間へ、および第二の空間から第一の空間へポンプユニットによって搬送可能であることを意味する。好ましくは、酸素移送の方向の選択は、特に印加される電位の極性を変えることによって実施される。これにより、特に、ポンプユニットの有利に可変的な利用を実現できる。さらに、このようにして、ポンプユニットは、有利には、特に均等な物理的装置の場合、第一の空間と第二の空間との間の双方向酸素移送に使用できる。
【００１４】
少なくとも１つのポンプユニットはさらに、酸素を特定的かつ選択的に分離するために提供される。これにより、特に、酸素の特定的かつ選択的移送が可能となる。特に、有利には、ガス移送の制御と分圧および／または全圧の同時制御とが実現可能である。
【００１５】
さらに、少なくとも１つのポンプユニットが、少なくとも１つの動作状態において、少なくとも１つのガスを電気的に還元するために提供されることが提案される。好ましくは、少なくとも１つのポンプユニットは、第一の空間内の少なくとも１つのガスを電気的に還元するために提供される。このようにして、有利に効率的なポンプユニットを提供できる。
【００１６】
さらに、少なくとも１つのポンプユニットが、第一の空間および／または第二の空間内に還元ガスを蓄積するために提供されることが提案される。好ましくは、少なくとも１つのポンプユニットは、第一の空間内に還元ガスを蓄積するために提供される。このようにして、特に特定的かつ選択的なガス蓄積が可能となり得る。
【００１７】
また、移送装置は、ポンプユニットの少なくとも２つの側間の電力差を捕捉するために提供される少なくとも１つの測定ユニットを備えることも提案される。優先的に、測定ユニットは、ポンプユニットの、第一の空間内に配置された第一の側と、ポンプユニットの、第二の空間内に配置された第二の側との間の電力差を捕捉するために提供される。好ましくは、測定ユニットは少なくとも１つの電圧計を含み、これは、少なくとも２つの接点間、特に少なくとも２つの電極間の電圧差を捕捉するために提供される。特に優先的に、測定ユニットは計算ユニットをさらに含み、これは電圧計の測定信号を評価するために提供される。「計算ユニット」とは、特に、情報入力、情報処理、および情報出力機能を備えるユニットであると理解されるものとする。有利には、計算ユニットは、少なくともプロセッサと、メモリと、入力および出力要素と、別の電気的構造構成要素と、オペレーティングプログラムと、比率制御ルーチンと、制御ルーチンおよび／または計算ルーチンとを備える。しかしながら、原理上、計算ユニットはまた、論理スイッチとして、例えばＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）としておよび／またはアナログスイッチとして実施されてもよい。このために、ポンプユニットは特に追加的に、データ補足に使用されてもよい。好ましくは、これにより、ポンプユニットは別のモニタ機能も担当できる。
【００１８】
また、少なくとも１つの測定ユニットは、第一の空間と第二の空間との圧力差を、電圧差に基づいて推測するために提供されることも提案される。少なくとも１つの測定ユニットは、第一の空間と第二の空間との間の分圧差を、電圧差に基づいて推測するために提供される。特に好ましくは、特に第一の空間および／または第二の空間内の酸素分圧が分かっているときに、現在の酸素濃度および／または酸素濃度の差が判断されてもよい。このようにして、移送装置は、有利には、圧力モニタのために使用されてよい。
【００１９】
本発明はさらに、移送装置を備える設備、特にフォトバイオリアクタ設備に基づく。設備は、反応領域の外にある第一の空間内の絶対酸素部分分数を、移送装置を介して制御および／または調整するために提供される制御調整ユニットを備えることが提案される。優先的に、制御調整ユニットは、反応領域の外にある第一の空間内の絶対酸素部分分数を、最大２５％の数値、好ましくは２０％以下、および特に好ましくは最大１５％に制御および／または調整するために提供される。しかしながら、原理上、当業者が好都合と考える酸素部分分圧のその他の数値も特に用途の種類によって想定可能である。優先的に、制御調整ユニットは、反応領域の外にある第一の空間内の絶対酸素部分分数を約１５％の数値に制御および／または調整するために提供される。特に好ましくは、制御調整ユニットは、反応領域の外にある第一の空間内の絶対酸素部分分数を、その絶対値に関する等モルであるｄＣＯ２／ｄｔ＝−ｄＯ２／ｄｔの比が達成されるような数値に制御するために提供される。好ましくは、制御調整ユニットは、反応領域の外にある第一の空間内の絶対酸素部分分数を、移送装置によって酸素を送出することにより制御および／または調整するために提供される。「制御調整ユニット」とは、特に、少なくとも制御電子部品を備えるユニットであると理解されるものとする。「制御電子部品」とは、特に、プロセッサユニットおよびメモリユニットの他、メモリユニット内に保存されたオペレーティングプログラムを備えるユニットを意味するものとする。しかしながら、原理上、制御電子部品はまた、論理スイッチ、例えばＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）としておよび／またはアナログスイッチとして実施されてもよい。このようにして、有利なガス混合物が設備、特にフォトバイオリアクタ設備の第一の空間に提供されてもよい。好ましくは、これにより、有利には、第一の空間内の絶対酸素部分分数を、設備の有利な、特に最適なＯ２産生量および／またはＯ２排出量が実現される数値に制御および／または調整することが可能となる。このようにして、移送装置を自動の、特にコンピュータによる制御および／または調整の概念と完全に統合することが可能となり得る。
【００２０】
さらに、設備、特にフォトバイオリアクタ設備は、供給された二酸化炭素を受け取り、酸素を光合成により産生し、かつ酸素を排出するために提供される少なくとも１つのフォトバイオリアクタユニットを備えることが提案される。しかしながら、原理上、設備が、酸素を産生しかつ排出するために提供される少なくとも１つの代替的なリアクタユニットを備えることも想定可能である。「フォトバイオリアクタユニット」とは、特に、これに関して、特に人工的な技術的環境内で微生物、例えば藻類、シアノバクテリア、苔類、および／またはフィトセル培養物を直接生産および／または培養するために提供されるユニットであると理解されるものとする。それは好ましくは、特に光、二酸化炭素（ＣＯ２）および水との光合成を通じて酸素（Ｏ２）を産生するために、産生されたおよび／または培養された微生物の光合成プロセスを直接使用するユニットと理解されるものとする。この目的のために、ユニットは優先的に、微生物を照明するための光源を備える。これにより、有利な設備を提供できる。
【００２１】
さらに本発明は、設備、特にフォトバイオリアクタ設備を動作させる方法に関する。反応領域の外にある第一の空間内の絶対酸素部分分数が、移送装置を介して制御および／または調整されることが提案される。好ましくは、反応領域の外にある第一の空間内の絶対酸素部分分数は、移送装置を介して、最大２５％、好ましくは２０％以下、特に好ましくは最大１５％に制御および／または調整される。特に好ましくは、反応領域の外にある第一の空間内の絶対酸素部分分数は、移送装置を介して、約１５％の数値に制御および／または調整される。特に好ましくは、反応領域の外にある第一の空間内の絶対酸素部分分数は、移送装置を介して、その絶対値に関する等モルであるｄＣＯ２／ｄｔ＝−ｄＯ２／ｄｔの比が実現されるような数値に制御および／または調整される。このようにして、設備、特にフォトバイオリアクタ設備における第一の空間内に有利なガス混合物を提供することが可能となる。優先的に、このようにして、有利には、第一の空間内の絶対酸素部分分数は、設備の有利な、特に最適なＯ２産生量が得られる数値に制御および／または調整されてもよい。
【００２２】
また、移送装置は、少なくとも１つの安全関係の動作状態をモニタおよび／または調整するために使用されることも提案される。好ましくは、移送装置は、例えば第二の空間および／または特に好ましくは第一の空間内の圧力および／または酸素濃度をモニタおよび／または調整するために使用されてもよい。これにより、特に、移送装置の有利な多目的使用が実現される。優先的に、移送装置はこのようにして、有利には、移送以外の機能を実現できる。
【００２３】
さらに、実行が低減重力および／または過重力の条件下で実施されることが提案される。好ましくは、前記方法は、宇宙空間で、例えば宇宙船の微小重力環境で、加速度１０−６×ｇ〜１０×ｇの宇宙船内のプロセスで、例えば火星等の惑星上で、および／または月等の天然衛星上で使用されてもよい。ｇの数値はここでは特に惑星および／または小惑星上、または移動中の宇宙船内のものと理解されるものとする。しかしながら、原理上、ｇの数値は、技術的な理由により、例えば１００×ｇまで激的に増大させてもよい。例えば、設備および／またはリアクタに対して、上述の数値と異なる人工的なプロセス加速がかけられてもよい。「低減重力状態」とは、特に、最大０．９×ｇ、有利な態様では最低１＊１０−３×ｇまで、好ましくは最低１＊１０−６×ｇまで、特に好ましくは最低１＊１０−８×ｇまでの重力効果がある状況と理解されるものとする。さらに、「過重力状態」とは、特に、少なくとも１．１×ｇ、好ましくは最大１０×ｇまでの重力効果がある状況と理解されるものとする。重力効果は、重力により引き起こされ、および／または加速度により人工的に生成されてもよい。ｇの数値は、原理上、技術的な理由で激的に増大させてもよい。「ｇ」とは、地球上の重力加速度の数値、すなわち９．８１ｍ１＊ｓ−２である。この方法は、有利には、宇宙空間、例えば宇宙船、宇宙居住施設、温室、惑星探査機等の有人システム、および／または宇宙服、特にＥＶＡ宇宙服（船外活動用宇宙服）の生命維持システムおよび／または環境制御装置に応用可能である。
【００２４】
さらに、この方法が現地資源利用（ＩＳＲＵ：Ｉｎ−Ｓｉｔｕ  Ｒｅｓｓｏｕｒｃｅ  Ｕｔｉｌｉｓａｔｉｏｎ）応用において実行されることが提案される。この場合、方法は、惑星上での現地資源利用応用の範囲内で、ガス混合物からおよび／またはその場に存在する材料、例えばその場に存在する固体物から酸素を分離および／または蓄積するために適用されてもよい。その他に、この方法は、あるいは、地球上で利用される閉鎖空間内、例えば飛行機、潜水艦、掩体壕、密閉空間、温室、および／または自動車、列車などの車両内でも適用されてもよい。その結果、方法の有利な利用が実現可能である。
【００２５】
さらに、方法は、環境制御装置の一部として使用されることが提案される。この場合、方法は、特に圧力調整および／または温度調整のため、および／またはガス、例えば二酸化炭素（ＣＯ２）を分離して酸素（Ｏ２）を得るため、および／または制御された酸素供給および／または調整のために使用される。好ましくは、この方法は、少なくとも実質的に閉鎖されたシステム内、例えば特に宇宙船、飛行機、陸上車両、または船舶内での圧力調整および温度調整の他、酸素供給に使用される。この場合、方法は、特に、地球上および宇宙空間、宇宙船内および／または惑星および／または小惑星上での環境制御装置で実行可能である。「環境制御装置」とは、これに関して、特に環境のための制御システムを意味する。優先的に、それは、特に少なくとも実質的に閉鎖されたキャビンにおける空気交換、圧力調整、温度調整、圧力供給および／または酸素供給のために提供される環境調整システムと理解されるものとする。好ましくは、それは特に、宇宙船および／または飛行機、特に民間航空機の環境制御装置と理解されるものとする。その結果、この方法の有利な適用が実現可能である。
【００２６】
本発明による移送装置、設備、および方法は本明細書において、前述の応用および実装形態に限定されない。特に、本発明による移送装置、設備、および方法は、本明細書に記載されている機能を果たすために、それぞれの要素、構造部品およびユニットを本明細書に記載されている数と異なる数だけ含んでいてもよい。
【００２７】
その他の利点は、図面に関する以下の説明から明らかとなるであろう。図面は本発明の例示的な実施形態を示している。図面、説明、および特許請求の範囲には、複数の特徴の組合せが含まれている。当業者であれば、目的をもって特徴を個別に検討し、他の好都合な組合せに気付くであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】フォトバイオリアクタユニットと、制御および調整ユニットと、移送装置とを特徴とする設備の概略図である。
【図２】酸化ジルコニウム要素を備えるポンプユニットを特徴とする移送装置の概略図である。
【図３】移送装置の、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った部分的断面の概略図である。
【図４】藻類リアクタを有する設備の例示的な動作中の時間の経過に伴うガス濃度を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、設備１６を示している。設備１６は、フォトバイオリアクタ設備により実施される。設備１６は、宇宙空間で使用するために提供される。設備１６は、空間１４を備える。空間１４は、閉鎖空間により実施される。さらに、設備１６はフォトバイオリアクタユニット３６を備える。原理上、設備１６はまた、複数のフォトバイオリアクタユニット３６を含んでいてもよい。設備１６は、原理上、当業者が好都合と考える他のリアクタも含んでいてよい。
【００３０】
フォトバイオリアクタユニット３６は、空間１４内に配置される。フォトバイオリアクタユニット３６は、供給された二酸化炭素ＣＯ２を受け取り、光源４４を使用して酸素Ｏ２を光合成により産生し、かつ酸素を排出するために提供される。設備１６は、ガスタンク３８を備える。ガスタンク３８は、二酸化炭素タンクで実施される。ガスタンク３８は、空間１４に配管を介してバルブにより接続される。バルブ４０は、例として、磁気バルブにより実施される。フォトバイオリアクタユニット３６の反応のために、二酸化炭素ＣＯ２がガスタンク３８から空間１４へと搬入される。本明細書において、二酸化炭素ＣＯ２の量はバルブ４０を介して制御される。
【００３１】
フォトバイオリアクタユニット３６は、人工的な技術的環境内で微生物、例えば藻類、シアノバクテリア、苔類、および／またはフィトセル培養物を生産および／または培養するために提供される。フォトバイオリアクタユニット３６は、光合成系の一例として藻類培養部を備える。フォトバイオリアクタユニット３６は、生産および／または培養された微生物の光合成プロセスを使用して、光、二酸化炭素ＣＯ２および水から光合成を通じて酸素Ｏ２を産生するために提供されている。フォトバイオリアクタユニット３６は、微生物を受け取るための受容要素４２を備える。受容要素４２は、例えば、当業者が好都合と考える管路、プレートおよび／または他の受容要素４２により実施されてもよい。フォトバイオリアクタユニット３６は、光源４４をさらに備える。光源４４は、人工光源により実施される。しかしながら、原理上、日光を光源として使用することも想定可能であろう。光源４４は、動作中に微生物を照明するために提供される。フォトバイオリアクタユニット３６は、設備１６の反応領域３４を形成する。
【００３２】
設備は移送装置１０をさらに備える。移送装置１０は、フォトバイオリアクタ移送装置により実施される。移送装置１０は、設備１６の第一の空間１４と第二の空間１８との間に配置される。第二の空間１８は、設備１６の環境を形成する。第二の空間１８は、設備１６の第一の空間１４から分離して具現化される。第二の空間１８は、本実施形態において、宇宙ステーションのキャビンにより具現化される。移送装置１０は、第一の空間１４および第二の空間１８の両方との境界を有する。第一の空間１４の動作圧力は、１０−１Ｐａ（１０−３ｍｂａｒ）〜１０４Ｐａ（１００ｂａｒ）であってもよい。第二の空間１８の動作圧力は、第一の空間１４の圧力〜１０４Ｐａ（１００ｂａｒ）であってもよい。好ましくは、移送装置１０の動作は環境圧力で、優先的には第一の空間１４内で７．５×１０４Ｐａ（７５０ｍｂａｒ）〜１２．５×１０４Ｐａ（１２５０ｍｂａｒ）の範囲、および第二の空間１８内で８×１０４Ｐａ（８００ｍｂａｒ）〜１５×１０４Ｐａ（１５００ｍｂａｒ）の範囲で実行される。
【００３３】
さらに、移送装置１０は、ポンプユニット１２を備える。ポンプユニット１２は、設備１６の第一の閉鎖された空間１４と、第一の空間１４から分離している第二の空間１８との間での所定のガス移送のために提供される。ポンプユニット１２は、選択的酸素ポンプとして具現化される。ポンプユニット１２は、電気化学酸素ポンプにより実施される。ポンプユニット１２は、酸化ジルコニウム要素２０をさらに備える。酸化ジルコニウム要素２０は、第一の空間１４から第二の空間１８への酸素Ｏ２の選択的な移送のために提供される。酸化ジルコニウム要素２０は、酸化ジルコニウムセラミックにより具現化される。酸化ジルコニウム要素２０は、ドーブ酸化ジルコニウム要素により実施される。酸化ジルコニウム要素２０には、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）がドープされる。しかしながら、原理上、酸化ジルコニウム要素２０を非ドープ酸化ジルコニウム要素により実施することも想定可能であろう。この目的のために、酸化ジルコニウム要素２０は、片側が閉鎖された酸化ジルコニウム管により具現化される。酸化ジルコニウム要素２０は、「試験管形」に具現化される。しかしながら、原理上、当業者が好都合と考える他の形状も想定可能である。例えば、酸化ジルコニウム要素２０の平坦な設計も想定可能であり、平面は２つの空間１４、１８間の仕切り面を形成する。酸化ジルコニウム要素２０は、したがって、中空空間４６を形成する。酸化ジルコニウム要素２０は、閉鎖側で第二の空間１８内に突出する。酸化ジルコニウム要素２０の開放側は、第一の空間１４内に突出する。しかしながら、原理上、酸化ジルコニウム要素２０が閉鎖側で第一の空間１４内に突出し、酸化ジルコニウム要素２０の開放側が第二の空間１８内に突出することも想定可能であろう。酸化ジルコニウム要素２０の中空空間４６は、第一の空間１４に接続される。ポンプユニット１２は、第一の空間１４から中空空間４６へと突出する案内管４８をさらに備える。案内管４８は、中空空間４６に流入するガスを案内する役割を果たす。案内管４８は、酸化ジルコニウム要素２０と平行に延びる。案内管４８は、酸化ジルコニウム要素２０から離して設置される。案内管４８は、酸化ジルコニウム要素２０の閉鎖側の手前まで延びる。案内管４８を介して、ガスは中空空間４６へと流入できる。中空空間４６内にあるガスは、中空空間４６の、案内管４８と酸化ジルコニウム要素２０との間のギャップに流入し、中空空間４６から出るように提供される。その結果、有利な循環が実現可能である。さらに、中空空間４６は、有利には、均一に流れるようにすることができる（図２）。
【００３４】
その他に、ポンプユニット１２は２つの電極５０、５２を備える。電極５０、５２は、少なくとも部分的にプラチナで製造される。電極５０、５２は、電極材料間に自由空間を有する構造化電極によりそれぞれ実施される。電極５０、５２は、それに加えて、酸素含有ガス、例えばＳＯ２、ＣＯ２、ＮＯ、ＮＯ２、またはＯ３の溶解のため、および／または酸素Ｏ２の選択的分離のための触媒の役割も果たす。しかしながら、原理上、当業者が好都合と考える他の電極の実施も想定可能であろう。特に、他の電極材料も想定可能であり、例えば、これはパラジウム、ロジウム、コバルト、イリジウム、および／またはニッケルである。原理上、電極５０、５２以外の別の触媒の使用も想定可能であろう。ポンプユニット１２の第一の電極５０は、酸化ジルコニウム要素２０の、中空空間４６に向かう内面に配置される。第一の電極５０は、酸化ジルコニウム要素２０の内面の大部分にわたって延びる。第一の電極５０は、酸化ジルコニウム要素２０と第一の空間１４との間に配置される。ポンプユニット１２の第二の電極５２は、ジルコニウム要素２０の、中空空間４６と反対の外面に配置される。ポンプユニット１２の第二の電極５２は、酸化ジルコニウム要素２０の外面において、酸化ジルコニウム要素２０の、酸化ジルコニウム要素２０の開放端と反対の端に配置される。酸化ジルコニウム要素２０の、酸化ジルコニウム要素２０の開放端と反対の側において、酸化ジルコニウム要素２０は第二の電極５２により大部分が取り囲まれる。第二の電極５２は、ジルコニウム要素２０と第二の空間１８との間に配置される。電極５０、５２は、電源５４に線を介して接続される。電源５４は、電極５０、５２の共有電圧源を具現化する。電源５４はポンプ流を起こす。ポンプユニット１２の酸化ジルコニウム要素２０は、ポンプ流の極性２４に応じて、第一の空間１４と第二の空間１８との間での双方向の酸素移送のために提供される（図２）。
【００３５】
ポンプユニット１２はまた、加熱要素２２を備える。加熱要素２２は、酸化ジルコニウム要素２０を加熱するために提供される。加熱要素２２は、酸化ジルコニウム要素２０を動作温度まで加熱し、それを前記動作温度に保つために提供される。加熱要素２２は、酸化ジルコニウム要素２０を５００℃〜７００℃の動作温度まで加熱し、それを前記動作温度に保つために提供される。加熱要素２２は、赤外線放射ヒータにより実施される。しかしながら、原理上、当業者が好都合であると考える加熱要素２２の、特に抵抗ヒータとしての他の実施も想定可能であろう。加熱要素２２は、管の形状で具現化される。しかしながら、原理上、当業者が好都合であると考えるその他の実施も想定可能であろう。例えば、酸化ジルコニウム要素２０が平坦に、特に板状に具現化された場合、加熱要素２２はまた、原理上、２つの部分的加熱要素を備えることができ、これらはそれぞれ酸化ジルコニウム要素２０の両側に配置される。加熱要素２２は、酸化ジルコニウム要素２０を、第二の電極５２の領域でその外面において取り囲む。加熱要素２２は、酸化ジルコニウム要素２０の主要な延長方向に平行に延びる。加熱要素２２は酸化ジルコニウム要素２０および第二の電極５２から分離されている（図２）。
【００３６】
酸化ジルコニウム要素２０は、選択的酸素ポンプとして機能し、酸化ジルコニウム要素２０が動作温度にあり、ポンプ流が酸化ジルコニウム要素２０の内面と外面との間に流れるときのみ酸素Ｏ２を輸送する。ポンプユニット１２は、ここでは、少なくとも１種のガスを電気的に還元するために提供される。これらの動作条件下で、酸化ジルコニウム要素２０は、イオン伝導体として、および／または固体電解質として機能する。ポンプユニット１２の動作モードは、酸素Ｏ２が第一の空間１４内のガス混合物から第二の空間１８へと選択的に送出されるものである。ポンプユニット１２は、ここで、酸素Ｏ２を特定的かつ選択的に分離するために提供されている。しかしながら、原理上、ポンプユニット１２は、そのため、第一の空間１４または第二の空間１８内に還元ガスを特定的に蓄積するために使用されてもよい（図２および３）。
【００３７】
移送装置１０は、測定ユニット２６をさらに備える。測定ユニット２６は、ポンプユニット１２の両側２８、３０間の電圧差を捕捉するために提供される。測定ユニット２６は、第一の空間１４に向かう第一の側２８と、ポンプユニット１２の、第二の空間１８に向かう第二の側３０との間の電圧差を捕捉するために提供される。この目的のために、測定ユニット２６は電圧計を備える。測定ユニット２６は、ポンプユニット１２の第一の電極５０に線を介して接続される。測定ユニット２６はさらに、第三の電極５６に線を介して接続される。第三の電極５６は、酸化ジルコニウム要素２０の、中空空間４６から離れる方向に向かう外面に配置される。しかしながら、原理上、第三の電極５６を当業者が好都合と考える他の方法で配置することも想定可能であろう。第三の電極５６は、酸化ジルコニウム要素２０の外面の、酸化ジルコニウム要素２０の開放端と第二の電極５２との間に配置される。第三の電極５６は、第二の電極５２に関して分離され、第二の電極５２と電気的に接続されない。第三の電極５６は環状に具現化され、酸化ジルコニウム要素２０の周囲に延びる。第三の電極５６は、酸化ジルコニウム要素２０と第二の空間１８との間に配置される。測定ユニット２６は、第一の電極５０と第三の電極５６との間の電圧差を捕捉するために提供される。測定ユニット２６は、第一の空間１４と第二の空間１８との間の圧力差を、電圧差に基づいて推測するために提供される。測定ユニット２６は、第一の空間１４と第二の空間１８との間の分力差を、電圧差に基づいて推測するために提供される。その他に、空間１４、１８の現在の酸素濃度および／または酸素濃度の差も、特に第一の空間１４内および／または第二の空間内の酸素分圧が分かっていれば判断されてもよい（図２）。
【００３８】
設備１６は、制御および調整ユニット３２をさらに備える。制御および調整ユニット３２は、制御電子部品を備える。制御および調整ユニット３２は、移送装置１０を介して、反応領域３４の外にある第一の空間１４内の絶対酸素部分分数を調整するために提供される。制御および調整ユニット３２は、反応領域３４の外にある第一の空間１４内の絶対酸素部分分数を約１５％の数値に調整するために提供される。制御および調整ユニット３２は、絶対酸素部分分数をモニタするために提供される。制御および調整ユニット３２は、移送装置１０の測定ユニット２６を絶対酸素部分分数のモニタに使用する。しかしながら、原理上、制御および調整ユニット３２が絶対酸素部分分数をモニタするための別のセンサを備えることも想定可能であろう。制御および調整ユニット３２は、反応領域３４の外にある第一の空間１４内の絶対酸素部分分数を、移送装置１０を介して酸素Ｏ２を送出することによって調整するために提供される。この目的のために、制御および調整ユニット３２は、ポンプユニット１２の電源５４を制御するために提供される。移送装置１０のポンプ速度は、印加される電流定格により影響を受ける。転送装置のポンプ速度は、酸化ジルコニウム要素２０の、特に表面の形状によりさらに影響を受ける。選択された形状で、電源５４の電流定格は動作中、第一の空間１４から第二の空間１８への必要な酸素移送速度を調整し、第一の空間１４内の酸素分圧を所定の数値に調整するために変更される。原理上、ポンプの性能はまた、別の電気動作パラメータ、例えば動作温度を通じて調整されてもよい。移送装置１０のポンプ速度は、酸化ジルコニウム要素２０の寸法およびポンプ流の強度に応じて、１日あたり数ミリリットル〜１日あたり数リットルの範囲で変化させることができる。
【００３９】
図４は、第一の空間１４内のガス濃度の測定記録の例示的な図を示し、特に上述の調整が行われていない。この図は、時間ｔに対する空間１４内の酸素濃度６２と二酸化炭素濃６６とを％で示している。ここで図は、第一の空間１４内の、それぞれ時間ｔ１およびｔ２における接線で示される、一定の二酸化炭素受容速度６０、６０’（ｄＣＯ２／ｄｔ）に応じたフォトバイオリアクタユニット３６からのそれぞれ時間ｔ１およびｔ２における接線で示される酸素出力速度５８、５８’（ｄＯ２／ｄｔ）のばらつきを示している。一定の二酸化炭素受容速度６０の場合、酸素出力速度５８（ｄＯ２／ｄｔ）は、第一の空間１４内の酸素濃度６２の上昇と共に低下する。第一の空間１４の窒素Ｎ２での第一の例示的な洗浄工程６４と二酸化炭素ＣＯ２追加との後、モルによる酸素出力速度５８は、モルによる二酸化炭素受容速度６０（ｄＣＯ２／ｄｔ）と等しい。この挙動は、第一の空間１４内の酸素濃度６２が約１５％になるまで観察され得る。これを上回ると、酸素出力速度５８（ｄＯ２／ｄｔ）は大きく減少する。したがって、反応領域３４の外にある第一の空間１４内の酸素濃度６２を最大約１５％低い数値に積極的に保てば、その絶対値の等モルであるｄＣＯ２／ｄｔ＝−ｄＯ２／ｄｔの比が実現可能となる。その結果、酸素濃度６２の制御変数は約１５％となる。
【００４０】
設備１６の動作方法において、反応領域３４の外にある第一の空間１４内の絶対酸素部分分数は、移送装置１０を介して調整される。反応領域３４の外にある第一の空間１４内の絶対酸素部分分数は、移送装置１０を介して約１５％の数値に制御される。この目的のために、制御および調整ユニット３２は、移送装置１０を制御する。この目的のために、制御および調整ユニット３２は、移送装置１０のポンプユニット１２の電源５４を制御する。第一の電極５０と第二の電極５２とに印加される電圧により、第一の空間１４の酸素Ｏ２は、陰極として機能する第一の電極５０において電子を取り込むことによってアニオンＯ２−に還元される。この反応は、触媒として機能する電極５０のプラチナにより支援される。アニオンＯ２−は、その後、イオン伝導体および／または固体電解質として機能する酸化ジルコニウム要素２０を通じて、第二の電極５２へと移動する。第二の電極５２において、アニオンＯ２−は第二の空間１８内で反応し、電子を放出することによって酸素Ｏ２に還元される（図３）。
【００４１】
この方法は、原理上、ＩＳＲＵの応用において実行されてよい。この方法はここでは、惑星上の現地資源利用（ＩＳＲＵ）応用に基づいて、その場にあるガス混合物からおよび／またはその場にある固体から酸素を分離および／または蓄積するために利用可能である。原理上、設備１６は、この目的のために、別のリアクタを含んでいてもよい。特に設備１６は、生理化学、生化学、および／または生物学的プロセスのための、特に酸素を放出する代替的なリアクタを含んでいてもよい。
【００４２】
さらに、方法は原理上、環境制御装置で実行されてもよい。この場合、方法は、少なくとも実質的に閉鎖したシステム、例えば、特に宇宙船、飛行機、陸上車両または船舶内で圧力および温度調整のために、かつ酸素供給のために使用されてもよい。原理上、設備１６は、この目的のために、代替的なリアクタも含んでいてよい。特に、設備１６は、生理化学、生化学、および／または生物学的プロセスのための代替的リアクタを含んでいてもよい。
【００４３】
移送装置１０はさらに、安全関係の動作状態をモニタおよび調整するために使用される。移送装置１０の測定ユニット２６によって、ポンプユニット１２の両側２８、３０間の電圧差が捕捉される。測定ユニット２６は、設備１６の動作中、第一の空間１４に向かう第一の側２８と、ポンプユニット１２の、第二の空間１８に向かう第二の側３０との間の電圧差を捕捉する。さらに、測定ユニット２６は、設備１６の動作中、第一の空間１４と第二の空間１８との間の分圧差を、電圧差に基づいて推測する（図３）。
【００４４】
方法の実行は、低減重力または過重力の条件下で実施される。方法は、宇宙空間で、１０−６×ｇ〜１０×ｇまでのその場の重力値で実行される。この方法は、特に宇宙空間で、例えば宇宙船内の微小重力環境下で、宇宙船内の１０−６×ｇ〜１０×ｇまでの加速度下でのプロセス中に、火星等の惑星上で、および／または月等の天然衛星上で適用される。しかしながら、設備１６および／または設備１６のリアクタに対してはまた、上述の重力値と異なる人工的なプロセス加速が加えられてもよい。重力値は、そのため、例えば技術的な理由により、例えば１００×ｇへと激的に増大させてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１０…移送装置、１２…ポンプユニット、１４…第一の空間、１６…設備、１８…第二の空間、２０…酸化ジルコニウム要素、２２…加熱要素、２６…測定ユニット、２８…ポンプユニットの片側、３０…ポンプユニットの片側、３２…調整ユニット、３４…反応領域、３６…フォトバイオリアクタユニット、３８…ガスタンク、４０…バルブ、４２…受容要素、４４…光源、５０…第一の電極、５２…第二の電極、５６…第三の電極、５８…酸素出力速度、６０…二酸化炭素受容速度。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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