DE10059372A1

DE10059372A1 - Vorrichtung zur photolytischen Wasserstoffproduktion - biophotolytischer Verbundreaktor

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Publication number: DE10059372A1
Application number: DE2000159372
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2000-11-29
Publication date: 2002-06-06

Abstract

Wasserstoff wird bisher nur durch Steamreforming oder durch Elektrolyse hergestellt. Beim Steamreforming wird vor allem Erdgas, Erdöl oder Kohle benötigt. Die Elektrolyse von Wasser ist auf elektrische und thermische Energie angewiesen. Beide Herstellungsverfahren kommen ohne fossile Energieträger nicht aus. Lediglich die bei der Elektrolyse benötigte elektrische Energie kann auch regenerativ z. B. durch Photovoltaik erzeugt werden. Dabei wird der Wasserstoff nur indirekt regenerativ erzeugt. Das neue Verfahren soll den Wasserstoff direkt regenerativ produzieren. DOLLAR A Um Wasserstoff regenerativ zu erzeugen, werden zwei biologische Stoffwechselmechanismen ausgenutzt. Zum einen die oxygene Photosynthese der Algen und zum anderen die Fähigkeit von Bakterien, molekularen Stickstoff zu binden. Eine Verbindung beider Mechanismen stellt der biophotolytische Verbundreaktor dar (Zeichnung 1). Die Algen produzieren Kohlenhydrate, welche die Bakterien unter Stickstofflimitierung zu Wasserstoff und Kohlendioxid umsetzen. Dabei werden die Algen und die Bakterien räumlich getrennt (K 101 - Algen/K 102 - Bakterien). Der Austausch der jeweiligen Stoffwechselprodukte erfolgt durch Pumpen (P 101/P 102) und durch mehrere Filter (F 101/F 102). Wasserstoff wird so auf direktem biologischem Wege erzeugt. Der Wirkungsgrad sollte größer als der der photovoltaischen Elektrolyse sein.

Description

Es ist bekannt, daß bestimmte Organismen (Algen) mit Hilfe der Photosynthese Kohlenhydrate produzieren. Diese Kohlenhydrate werden teilweise auch extrazellulär angereichert. Weiterhin ist auch allgemein bekannt, daß gewisse Bakterienarten unter Stickstofflimitierung aus Kohlenhydraten molekularen Wasserstoff produzieren [Barclay, W. R., A., L. R. "Microalgal polysaccharide production for the conditioning of agricultural soils." Plant and Soil 88: 159-169; Kamen, M. D., H., G. "Evidence for nitrogenase system in the photosynthetic bacterium Rhodospirillum rubrum." Science 109 (1949): 560].

Ein Verbund beider Organismen in einem Reaktor zur kontinuierlichen Produktion von Wasserstoff existiert zur Zeit nicht.

Die im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung soll erreichen, daß die Kohlenhydrate, die von den Algen produziert werden¹ (Möglich wäre auch die Nutzung von kohlenhydratreichen Abwässern.), den Bakterien und das von den Bakterien gebildete Kohlendioxid den Algen zugeführt wird.

Durch diesen Verbund wird erreicht, daß unter Ausnutzung der Sonnenenergie, der Wasserstoff regenerativ erzeugt wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Die Zurückhaltung der jeweiligen Organismen durch Filtersysteme erlaubt eine kontinuierliche Betriebsweise des Reaktors und der Austausch des Kohlendioxids eine Steigerung der Photosynthese der Algen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Der Verbundreaktor besteht aus zwei Kammern (K 101/K 102). In der Kammer K 101 befinden sich die flüssige Phase der Algen. Mit der oxygenen Photosynthese produzieren die Algen Kohlenhydrate und Sauerstoff. Für die Photosynthese benötigen sie Licht, Kohlendioxid und anorganische Verbindungen. Als Lichtquelle wird das Sonnenlicht genutzt, das Kohlendioxid entstammt aus der Umgebungsluft und der Bakterien kammer (K 102). Die anorganischen Verbindungen werden als Lösung vorgelegt. Die produzierten Kohlenhydrate liegen zum Teil auch extrazellulär, also in der Lösung vor. Die kohlenhydratreiche Lösung (Strom 3) wird über eine Pumpe (P 101) und einen/mehrere Filter zur Kammer K 102 geleitet. Die Filter (F 101) trennen die Algen von der Lösung ab, so daß sich in der Kammer K 102 keine Algen ansammeln können. F 101 wird mit dem Rückstrom aus der Kammer K 102 kontinuierlich gespült, damit der gebildete Filterkuchen nicht zu groß wird. Der gefilterte Strom (Strom 4) spült den Filter F 102 und gelangt schließlich in die Kammer K 102 (Strom 5). Dort setzen die Bakterien die Kohlenhydrate mit Hilfe von Licht und unter Stickstofflimitierung zu Wasserstoff und Kohlendioxid um. Wasserstoff und Kohlendioxid gasen aus (Strom 6). Die Zusammensetzung des Gasgemisches liegt bei ca. 90% H₂ und ca. 10% CO₂. Der größte Teil des produzierten Kohlendioxids liegt gelöst vor. Diese CO₂-haltige Lösung (Strom 7) wird über die Pumpe (P 102) und einen/mehrere Filter zur Kammer K 101 geleitet. Filter F 102 filtert die Bakterien aus der Lösung heraus. Er wird mit dem Strom 4 kontinuierlich gespült. Der Strom 9 spült nun wiederum den Filter F 101 und gelangt schließlich (Strom 10) in die Kammer K 101.

Da das Sonnenlicht als Energielieferant genutzt wird, kommt es zu einer Erwärmung der Kammern. Die maximalen Betriebstemperaturen der Algen und Bakterien liegen zwischen 30°C und 45°C. Eine Kühlung ist somit zwingend erforderlich. Die Wärmetauscher WT 101 und WT 102 kühlen die Kammern K 101 und K 102. Die Abwärme kann anderweitig genutzt werden.

Es existieren Bakterienarten, die sehr empfindlich auf Sauerstoff reagieren. Wenn diese Organismen zum Einsatz kommen, muß der Sauerstoff aus der Algenlösung herausgelöst werden, bevor er zu den Bakterien gelangt. Dies kann durch verschiedene Membranverfahren erfolgen.

Nach einer gewissen Zeit müssen den Algen anorganische Substrate zugeführt werden. Die Bakterien benötigen nur Stickstoff, der z. B. durch kurzzeitiges Begasen mit Luft (in der Nachtphase) geliefert werden kann.

Claims

1. Vorrichtung zur photolytischen Wasserstoffproduktion - biophotolytischer Verbundreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß er aus mindestens zwei räumlich getrennten Kammern, die durch Leitungen mit Pumpen und Filtersystemen verbunden sind, besteht. (Wobei die Kammern auch direkt hintereinander angeordnet sein können.) In der einen Kammer befinden sich Organismen z. B. Algen, die mit Hilfe der Photosynthese, Kohlenhydrate und Sauerstoff produzieren. In der zweiten Kammer befinden sich Organismen z. B. Bakterien, die mit Hilfe von Licht aus Kohlenhydraten unter Stickstoffmangel Wasserstoff produzieren.

2. Der Verbundreaktor nach dem Patentanspruch 1, ist dadurch gekennzeichnet, daß die produzierten Kohlenhydrate über Filterstufen der zweiten Kammer zugeführt werden. Das in der zweiten Kammer produzierte gelöste Kohlendioxid wird der ersten Kammer wieder zugeführt.