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DE19912952C2 - Verfahren zur Verwertung von Kohlendioxid aus chemischen Prozessen und Vorrichtung zur Durchführung desselben - Google Patents

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

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DE19912952C2 DE1999112952 DE19912952A DE19912952C2 DE 19912952 C2 DE19912952 C2 DE 19912952C2 DE 1999112952 DE1999112952 DE 1999112952 DE 19912952 A DE19912952 A DE 19912952A DE 19912952 C2 DE19912952 C2 DE 19912952C2
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Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Verwertung von Kohlendioxid aus chemischen Prozessen durch Assimilation mit Hilfe der Photo­ synthese zu Biomasse und Sauerstoff.
Chemische Prozesse wie das Kalkbrennen liefern bekanntlich neben Calciumoxid auch in erheblichen Mengen Kohlendioxid. Dieses Kohlendioxid wird bisher un­ benutzt in die Atmosphäre geleitet und trägt somit zu dem sogenannten Treib­ hauseffekt bei. Weitere Menge an Kohlendioxid bilden sich beispielsweise bei er chemischen Umsetzung von Kohlenstoff, Kohlenwasserstoffen und Kohlenhyd­ raten durch Oxidation. Sofern dieses Kohlendioxid in Form von Metallcarbonaten aufgefangen wird, läßt sich durch Erhitzung der Metallcarbonate relativ reines und konzentriertes Kohlendioxid gewinnen.
Während das Kalkbrennen bei Temperaturen von ca. 900°C stattfindet und so­ mit relativ energieintensiv ist, gibt es eine Reihe von andere Metallcarbonaten, die sich auch schon bei deutlich niedrigeren Temperaturen zersetzen und Koh­ lendioxid abspalten. Zum Auffangen und Binden von Kohlendioxid kommen somit prinzipiell in Frage auch Lithiumhydroxid, Magnesiumoxid, Zinkoxid, Blei­ oxid und Cadmiumoxid. Besonders geeignet erscheint Zinkoxid, da sich das Zinkcarbonat bereits bei Temperaturen von 300°C wieder zersetzt und mehr oder weniger reines CO2 liefert.
Außer der weitverbreiteten Oxidation von Kohlenstoff, Kohlenwasserstoffen, Kohlenhydraten, nämlich der üblichen Verbrennung, bildet sich CO2 auch in Alkalihydroxidschmelzen unter Bildung von Alkalicarbonat, Alkalihydriden und Wasserstoff. So finden unter diesen Bedingungen beispielsweise folgende Reak­ tionen statt:

3NaOH + C → Na2CO3 + NaH + H2 (1) oder
9NaOH + C3H8 3Na2CO3 + 3NaH + 7H2 (2)
9LiOH + C3H8 → 3Li2CO3 + 3LiH + 7H2 (5)
Gewünschtenfalls können diese Carbonate auch mit anderen Metalloxiden oder - hydroxiden umgesetzt werden, wobei die Trennung von Wasserstoff und Koh­ lendioxid besonders einfach mit Hilfe von Zinkoxid oder anderen Zinksalzen erfolgen kann.
Da diese Reaktionen reversibel sind, kann beispielsweise die Bildung von Zink­ carbonat bei Raumtemperatur erfolgen und bei Temperaturen von ca. 300°C das gebildete Zinkcarbonat wieder in Zinkoxid und Kohlendioxid aufgespalten wer­ den.
Zu diesen Reaktionen vergleiche auch DE 33 13 889, Seite 6 unten.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, dieses aus chemischen Prozessen stammende Kohlendioxid zu verwerten durch Assimilation mit Hilfe der Photo­ synthese, wobei Biomasse und Sauerstoff entstehen und wobei Suspensionen von Algen in gerührten Bioreaktoren aus einem für UV-Licht durchlässigen Ma­ terial unter gleichzeitigem Einsatz von Sonnenlicht- und Kunstlichtquellen ge­ züchtet werden und wobei das Kohlendioxid oder mit Kohlendioxid angereicherte Gasgemisch in die Suspension eingerührt wird, die mit Kohlendioxid angerei­ cherte 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 Bioreak­ tor geleitet wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Maßnahmen des Anspruchs 1 sowie die bevorzugten Ausführungsformen der Unteransprüche 2 bis 4.
Das für die Photosynthese notwendige Licht kann teilweise durch Sonnenlicht und teilweise durch Kunstlichtquellen geliefert werden. Das Sonnenlicht kann vor allem durch das UV-Licht durchlässige Material des Mantels des Reaktors ein­ dringen. Geeignet ist beispielsweise das für UV-Licht durchlässige Polyacrylatglas (Plexiglas®).
Die Energie für die Kunstlichtquellen im Inneren der Bioreaktoren wird vorzugs­ weise durch Photovoltaik geliefert. Darüber hinaus kann weitere Energie zur Stromerzeugung gewonnen werden durch Verbrennung des in einigen der oben genannten Reaktionen anfallenden Wasserstoffs bzw. der Metallhydride.
Das für die Photosynthese notwendige Kohlendioxid wird aus oder der thermi­ schen Zersetzung von Metallcarbonaten gewonnen. Diese Metallcarbonate kön­ nen beispielsweise gewonnen werden aus der thermischen Umsetzung von koh­ lenstoffhaltigen organischen Substanzen oder Reststoffen unter Luftausschluß in Alkalihydroxidschmelzen unter gleichzeitiger Bildung von Metallhydriden und Wasserstoff. Diese Metallhydride und dieser Wasserstoff können dann entweder zur Stromerzeugung für die inneren Kunstlichtquellen der Bioreaktoren verwen­ det 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 Ver­ fahrens bestehen vor allem aus einem UV-Licht durchlässigen Mantel, im Inne­ ren befindlichen UV-Lichtquellen, Einrichtungen zum Rühren der Algensuspensi­ onen, Einrichtungen zum Einleiten von Kohlendioxid und/oder mit Kohlendioxid angereicherten Gas, Einrichtungen zur Ableitung von bezüglich Kohlendioxid abgereichertem Gas, Einrichtungen zum Einleitung von Nährlösung, Einrichtun­ gen zur Ableitung der Algensuspension sowie gegebenenfalls Einrichtungen zur Steuerung der übrigen Einrichtungen des Bioreaktors.
Vorzugsweise weist der Bioreaktor einen konischen Boden auf mit einer Einrich­ tung zur Einleitung von Kohlendioxid und/oder mit Kohlendioxid angereichertem Gas. Diese Ausgestaltung verhindert ein unerwünschtes Absetzen der Algensus­ pension in dem unteren Trichter und führt gleichzeitig zu einer Aufwirbelung und Rühren der Suspension.
Das aus dem jeweiligen Bioreaktor entnommene, bezüglich Kohlendioxid abge­ reicherte Gas kann entweder unmittelbar oder nach Anreicherung mit weiterem Kohlendioxid 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 Gasvertei­ ler zur Einleitung von weiterem Kohlendioxid oder mit Kohlendioxid angerei­ chertem 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 Algensuspen­ sion
13 der vorzugsweise auch aus Plexiglas hergestellte zylindrische Teil des Biore­ aktors
14 eine Leitung für den Austritt des bezüglich Kohlendioxid abgereicherten Gasgemisches, 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 Stick­ stoff und Phosphor sowie Spurenelemente Kupfer und Jod zu speichern, so daß sie als Beifutter in der Viehzucht oder als Düngemittel verwendet werden kön­ nen. Schließlich können aus Algen auch Nahrungsergänzungsmittel für die menschliche Ernährung gewonnen werden.
Die Züchtung derartiger Algen ist bisher nur in flachen Schalen oder in licht­ durchlässigen Schläuchen erfolgt, in denen sich die Algen mittels Kohlendioxid­ eintrag bewegen. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, derartige lichtdurch­ lässige Schläuche auf konischen Konstruktionen aufzuwickeln, so daß Längen bis zu mehreren Kilometern entstanden. Industrielle Anwendung haben derartig komplizierte Konstruktionen jedoch nicht gefunden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist erstmals auch im größeren 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 aufgearbeitet. Zu typischen Ver­ arbeitungsschritten zählen dann Filtration oder Zentrifugation, Vakuum- oder Gefriertrocknung, Extraktion bezüglich bestimmter Inhaltsstoffe. Die abge­ trennte 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 (4)

1. Verfahren zur Verwertung von Kohlendioxid aus chemischen Prozessen durch Assimilation mit Hilfe der Photosynthese zu Biomasse und Sauer­ stoff, wobei Suspensionen von Algen in gerührten Bioreaktoren aus einem für UV-Licht durchlässigen Material unter gleichzeitigem Einsatz von Son­ nenlicht- 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 Gefäßwand und den Kunstlichtquellen vorbeigeführt wird und das bezüg­ lich Kohlendioxid abgereicherte Gasgemisch gegebenenfalls unter Beimi­ schung von weiterem Kohlendioxid in den jeweils nächsten Bioreaktor geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid gewonnen wird aus der thermischen Zersetzung von Metallcarbonaten, welche ge­ wonnen werden aus der thermischen Umsetzung von kohlenstoffhaltigen organischen Substanzen oder Reststoffen unter Luftausschluss in Alkali­ hydroxidschmelzen unter gleichzeitiger Bildung von Metallhydriden und Wasserstoff.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall­ hydride und/oder der Wasserstoff verwendet werden zur Stromerzeugung für die Kunstlichtquellen.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerzeugung für die Kunstlichtquellen ganz oder teilweise mittels Photovoltaik gewonnen wird.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallcarbonate verwendet werden Lithium-, Magnesium- und/oder Zinkcarbonat.
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