DE19912952A1

DE19912952A1 - Verfahren zur Verwertung von Kohlendioxid aus chemischen Prozessen und Vorrichtung zur Durchführung desselben

Info

Publication number: DE19912952A1
Application number: DE1999112952
Authority: DE
Inventors: Martina Von Ahn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2000-10-05
Anticipated expiration: 2019-03-24
Also published as: DE19912952C2

Abstract

Das Verfahren zur Verwertung von Kohlendioxid aus chemischen Prozessen durch Assimilation mit Hilfe der Photosynthese zu Biomasse und Sauerstoff erfolgt indem Suspensionen Algen in gerührten Bioreaktoren aus einem für UV-Licht durchlässigen Material unter gleichzeitigem Einsatz von Sonnenlicht- und Kunstlichtquellen gezüchtet werden und wobei das Kohlendioxid oder mit Kohlendioxid angereicherte Gasgemisch in die Suspension eingerührt wird, die mit Kohlendioxid angereichte Suspension an der Gefäßwand und den Kunstlichtquellen vorbeigeführt wird und das bezüglich Kohlendioxid abgereicherte Gasgemisch gegebenenfalls unter Beimischung von weiterem Kohlendioxid in den jeweils nächsten Bioreaktor geleitet wird.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Verwertung von Koh lendioxid aus chemischen Prozessen durch Assimilation mit Hilfe der Photosynthese zu Biomasse und Sauerstoff.

Chemische Prozesse wie das Kalkbrennen liefern bekanntlich neben Calciumoxid auch in erheblichen Mengen Kohlendioxid. Dieses Kohlendioxid wird bisher unbe nutzt in die Atmosphäre geleitet und trägt somit zu dem sogenannten Treibhauseffekt bei. Weitere Menge an Kohlendioxid bilden sich beispielsweise bei er chemischen Umsetzung von Kohlenstoffe, Kohlenwasserstoffen und Kohlenhydraten durch Oxi dation. Sofern dieses Kohlendioxid in Form von Metallcarbonaten aufgefangen wird, läßt sich durch Erhitzung der Metallcarbonate relativ reines und konzentriertes Koh lendioxid gewinnen.

Während das Kalkbrennen bei Temperaturen von ca. 900°C stattfindet und somit relativ energieintensiv ist, gibt es eine Reihe von andere Metallcarbonaten, die sich auch schon bei deutlich niedrigeren Temperaturen zersetzen und Kohlendioxid ab spalten. Zum Auffangen und Binden von Kohlendioxid kommen somit prinzipiell in Frage auch Lithiumhydroxid, Magnesiumoxid, Zinkoxid, Bleioxid und Cadmiumoxid. Besonders geeignet erscheint Zinkoxid, da sich das Zinkcarbonat bereits bei Tempe raturen von 300°C wieder zersetzt und mehr oder weniger reines CO₂ liefert.

Außer der weitverbreiteten Oxidation von Kohlenstoff, Kohlenwasserstoffen, Koh lenhydraten, nämlich der üblichen Verbrennung, bildet sich CO₂ auch in Alka lihydroxidschmelzen unter Bildung von Alkalicarbonat, Alkalihydriden und Wasser stoff. So finden unter diesen Bedingungen beispielsweise folgende Reaktionen statt:

3 NaOH + C → Na₂CO₃ + NaH + H₂ (1) oder

9 NaOH + C₃H₈ → 3 Na₂CO₃ + 3 NaH + 7 H₂ (2)

9 LiOH + C₃H₈ → 3 Li₂CO₃ + 3 LiH + 7 H₂ (5)

Gewünschtenfalls können diese Carbonate auch mit anderen Metalloxiden oder -hy droxiden umgesetzt werden, wobei die Trennung von Wasserstoff und Kohlendioxid besonders einfach mit Hilfe von Zinkoxid oder anderen Zinksalzen erfolgen kann.

Da diese Reaktionen reversibel sind, kann beispielsweise die Bildung von Zinkcarbo nat bei Raumtemperatur erfolgen und bei Temperaturen von ca. 300°C das gebildete Zinkcarbonat wieder in Zinkoxid und Kohlendioxid aufgespalten werden.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, dieses aus chemischen Prozessen stam mende Kohlendioxid zu verwerten durch Assimilation mit Hilfe der Photosynthese, wobei Biomasse und Sauerstoff entstehen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Suspensionen von Algen in gerührten Biore aktoren aus einem für UV-Licht durchlässigen Material unter gleichzeitigem Einsatz von Sonnenlicht- und Kunstlichtquellen gezüchtet werden und wobei das Kohlendi oxid oder mit Kohlendioxid angereicherte Gasgemisch in die Suspension eingerührt wird, die mit Kohlendioxid angereicherte Suspension an der Gefäßwand und den Kunstlichtquellen vorbeigeführt wird und das bezüglich Kohlendioxid abgereicherte Gasgemisch gegebenenfalls unter Beimischung von weiterem Kohlendioxid in den jeweils nächsten Bioreaktor geleitet wird.

Das für die Photosynthese notwendige Licht wird teilweise durch Sonnenlicht und teilweise durch Kunstlichtquellen geliefert. Das Sonnenlicht kann vor allem durch das UV-Licht durchlässige Material des Mantels des Reaktors eindringen. Geeignet ist beispielsweise das für UV-Licht durchlässige Polyacrylatglas (Plexiglas®).

Die Energie für die Kunstlichtquellen im Inneren der Bioreaktoren wird vorzugsweise durch Photovoltaik geliefert. Darüber hinaus kann weitere Energie zur Stromerzeu gung gewonnen werden durch Verbrennung des in einigen der oben genannten Reak tionen anfallenden Wasserstoffs bzw. der Metallhydride.

Das für die Photosynthese notwendige Kohlendioxid wird vorzugsweise gewonnen aus dem Brennen von Kalk oder der thermischen Zersetzung von Metallcarbonaten. Diese Metallcarbonate können beispielsweise gewonnen werden aus der thermischen Umsetzung von kohlenstoffhaltigen organischen Substanzen oder Reststoffen unter Luftausschluß in Alkalihydroxidschmelzen unter gleichzeitiger Bildung von Metall hydriden und Wasserstoff. Diese Metallhydride und dieser Wasserstoff können dann entweder zur Stromerzeugung für die inneren Kunstlichtquellen der Bioreaktoren verwendet werden oder aber auch in sonstiger Weise verwertet werden, da sowohl Wasserstoff als auch Metallhydride wirtschaftlich wertvolle Materialien sind.

Die Bioreaktoren zur Züchtung von Algen gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen vor allem aus einem UV-Licht durchlässigen Mantel, im Inneren befindli chen UV-Lichtquellen, Einrichtungen zum. Rühren der Algensuspensionen, Einrich tungen zum Einleiten von Kohlendioxid und/oder mit Kohlendioxid angereicherten. Gas, Einrichtungen zur Ableitung von bezüglich Kohlendioxid abgereichertem Gas, Einrichtungen zum Einleitung von Nährlösung, Einrichtungen zur Ableitung der Algensuspension sowie gegebenenfalls Einrichtungen zur Steuerung der übrigen Einrichtungen des Bioreaktors.

Vorzugsweise weist der Bioreaktor einen konischen Boden auf mit einer Einrichtung zur Einleitung von Kohlendioxid und/oder mit Kohlendioxid angereichertem Gas. Diese Ausgestaltung verhindert ein unerwünschtes Absetzen der Algensuspension in dem unteren Trichter und führt gleichzeitig zu einer Aufwirbelung und Rühren der Suspension.

Das aus dem jeweiligen Bioreaktor entnommene, bezüglich Kohlendioxid abgerei cherte Gas kann entweder unmittelbar oder nach Anreicherung mit weiterem Kohlen dioxid in den nächsten Bioreaktor überführt werden.

Ein typischer für das Verfahren geeigneter Bioreaktor ist in der anliegenden Fig. 1 dargestellt.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild für Kohlendioxidgewinnung und -verwertung gemäß Unteransprüchen der vorliegenden Erfindung.

In der Fig. 1 bedeutet

1 der Bioreaktor
2 einen aus Plexiglas® gefertigten zylindrischen Behälter mit konischem Boden
3 einen Rührmotor
4 eine Antriebswelle
5 eine Begasungsturbine
6 zylindrische Einbauten
7 Leuchtkörper, die sich in den zylindrischen Einbauten befinden
8 eine Gasleitung für die Einleitung von Kohlendioxid oder mit Kohlendioxid angereichertem Gasgemisch
9 einen im konischen Teil des Bioreaktors ringförmig angeordneter Gasverteiler zur Einleitung von weiterem Kohlendioxid oder mit Kohlendioxid angereichertem Gas
10 einen abnehmbarer aber fest verschlossenen Deckel des Bioreaktors
11 Zuleitung für elektrischen Strom für die Leuchtkörper 7
12 Ablaßventil am Ende des konischen Bodens zur Entnahme der Algensuspension
13 der vorzugsweise auch aus Plexiglas hergestellte zylindrische Teil des Bioreak tors
14 eine Leitung für den Austritt des bezüglich Kohlendioxid abgereicherten Gasge misches, welche vorzugsweise in den nächsten Bioreaktor geführt wird.

Für das erfindungsgemäße Verfahren kommen prinzipiell verschiedene Arten von Rot- und Grünalgen in Fragen, welche als Farbträger das Carotinoid Fucoxanthin oder Chlorophyll enthalten. Aus den Algen lassen sich neben Aminosäuren oder Eiweißen vor allem auch Polysaccharide wie Alginsäure, Carageen, Laminarin etc. gewinnen. Einige Algenarten sind darüber hinaus in der Lage, auch Stickstoff und Phosphor sowie Spurenelemente Kupfer und Jod zu speichern, so daß sie als Beifutter in der Viehzucht oder als Düngemittel verwendet werden können. Schließlich können aus Algen auch Nahrungsergänzungsmittel für die menschliche Ernährung gewonnen werden.

Die Züchtung derartiger Algen ist bisher nur in flachen Schalen oder in lichtdurchläs sigen Schläuchen erfolgt, in denen sich die Algen mittels Kohlendioxideintrag bewe gen. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, derartige lichtdurchlässige Schläuche auf konischen Konstruktionen aufzuwickeln, so daß Längen bis zu mehreren Kilome tern entstanden. Industrielle Anwendung haben derartig komplizierte Konstruktionen jedoch nicht gefunden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist erstmals auch im größe ren Maßstab durchführbar. Die Ernte der Algen kann bei optimaler Temperatur und optimalen sonstigen Parametern des Wachstums innerhalb weniger Tage erfolgen. Die Algensuspension wird dazu aus dem Bodenventil abgelassen und anschließend aufge arbeitet. Zu typischen Verarbeitungsschritten zählen dann Filtration oder Zentrifuga tion, Vakuum- oder Gefriertrocknung, Extraktion bezüglich bestimmter Inhaltsstoffe. Die abgetrennte Flüssigkeit kann gegebenenfalls nach Ergänzung und Reinigung erneut in den Bioreaktoren eingesetzt und zur Algenzucht verwendet werden. Es ist somit möglich, eine Algenzuchtanlage bestehend aus sogar mehreren 100 Bioreakto ren in Gewächshäusern unterzubringen.

Claims

1. Verfahren zur Verwertung von Kohlendioxid aus chemischen Prozessen durch Assimilation mit Hilfe der Photosynthese zu Biomasse und Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, daß Suspensionen von Algen in gerührten Bioreaktoren aus einem für UV-Licht durchlässigen Material unter gleichzeitigem Einsatz von Sonnenlicht- und Kunstlichtquellen gezüchtet werden und wobei das Kohlen dioxid oder mit Kohlendioxid angereicherte Gasgemisch in die Suspension eingerührt wird, die mit Kohlendioxid angereicherte Suspension an der Ge fäßwand und den Kunstlichtquellen vorbeigeführt wird und das bezüglich Kohlendioxid abgereicherte Gasgemisch gegebenenfalls unter Beimischung von weiterem Kohlendioxid in den jeweils nächsten Bioreaktor geleitet wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlendioxid gewonnen wird aus dem Brennen von Kalk oder der thermischen Zersetzung von Metallcarbonaten.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallcarbo nate gewonnen werden aus der thermischen Umsetzung von kohlenstoffhalti gen organischen Substanzen oder Reststoffen unter Luftausschluß in Alka lihydroxidschmelzen unter gleichzeitiger Bildung von Metallhydriden und Wasserstoff.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallhydride und/oder der Wasserstoff verwendet werden zur Stromerzeugung für die Kunstlichtquellen.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom erzeugung für die Kunstlichtquellen ganz oder teilweise mittels Photovoltaik gewonnen wird.

6. Bioreaktor zur Züchtung von Algen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 beste hend aus einem UV-Licht durchlässigen Mantel, im Inneren befindlichen UV- Lichtquellen, Einrichtungen zum Rühren der Algensuspensionen, Einrichtun gen zum Einleiten von Kohlendioxid und/oder mit Kohlendioxid angereicher ten Gas, Einrichtungen zur Ableitung von bezüglich Kohlendioxid abgerei chertem Gas, Einrichtungen zum Einleitung von Nährlösung, Einrichtung zur Ableitung der Algensuspension sowie Einrichtungen zur Steuerung der übrigen Einrichtungen.

7. Bioreaktor gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er einen koni schen Boden aufweist mit einer Einrichtung zur Einleitung von Kohlendioxid und/oder mit Kohlendioxid angereichertem Gas.