DE102006056459A1

DE102006056459A1 - Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff

Info

Publication number: DE102006056459A1
Application number: DE102006056459A
Authority: DE
Inventors: Michaela Krupp; Renatus Widmann; Ruth Brunstermann; Maren Raabe
Original assignee: Universitaet Duisburg Essen
Current assignee: Universitaet Duisburg Essen
Priority date: 2006-11-14
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2008-05-15
Also published as: WO2008058712A3; EP2125638A2; BRPI0718757A2; WO2008058712A2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem biogenen Stoff, insbesondere Abfall, vorgeschlagen. Sporenbildende Bakterien bauen den biogenen Stoff anaerob und im Dunklen ab, wobei Wasserstoff erzeugt wird. Eine sehr effektive Wasserstoffabscheidung bzw. -erzeugung kann dadurch erreicht werden, daß die Bakterien zumindest kurzzeitig derart erhitzt werden, daß methanbildende Bakterien abgetötet werden. Alternativ oder zusätzlich werden die Bakterien mit Sauerstoff oder Luft gespült, um die Erzeugung des Wasserstoffs zu stimulieren und/oder methanbildende Bakterien zu unterdrücken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus biogenem Stoff, insbesondere Abfall o. dgl., gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Biogene Stoffe sind Stoffe, die biologisch, insbesondere durch Bakterien, abbaubar sind. Besonders bevorzugt handelt es sich hierbei um CSB-reiche Abfälle, also Abfälle mit einem hohen chemischen Sauerstoffbedarf, und/oder um kohlhydrathaltige Abfälle oder Abwässer.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich insbesondere mit dem Abbau von biogenen Stoffen bzw. Abfällen durch Bakterien unter anaeroben Bedingungen. Wenn Bakterien, die üblicherweise in Klärschlamm vorkommen, biogene Stoffe abbauen, wird Wasserstoff intermediär, d.h. nur als Zwischenprodukt, erzeugt; es erfolgt weiter Methanisierung, so daß zumindest zum großen Teil lediglich Methan oder ähnliche Gase als Endprodukt erzeugt werden.
Es sind bereits verschiedentliche Veröffentlichungen bekannt, wo die Erzeugung von Wasserstoff durch Bakterien aus biogenen Stoffen eine Rolle spielt bzw. verbessert werden soll.
Die CN 1706754 A offenbart einen zweistufigen Prozeß aus anaerober Vorfermentation und nachgeschalteter Fotofermentation unter Lichteinfluß. Der Prozeß wird nur anaerob durchgeführt.
Die WO 2005/042694 A2 befaßt sich mit der fotosynthetischen Erzeugung von Wasserstoff durch Grünalgen. Die Wasserstofferzeugung erfolgt unter aeroben und anaeroben Bedingungen, jeweils unter Lichteinfluß und unter Schwefelmangel.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus biogenen Stoffen anzugeben, wobei auf einfache Weise eine hohe Effizienz erreichbar ist und das Verfahren insbesondere in der Praxis – besonders bevorzugt mit Mischkulturen von Bakterien – einsetzbar ist.
Die obige Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zum biologischen Abbau werden dem biogenen Stoff Bakterien zugesetzt. Der Abbau erfolgt anaerob und/oder im Dunklen. Der Abbau des biogenen Stoffes erfolgt besonders bevorzugt als sogenannte "Dark Fermentation", also anaerob und im Dunklen. Dies gestattet bei geringem Aufwand einen effektiven biologischen Abbau, wie beispielsweise bei Kläranlagen üblich.
Der Begriff "biogener Stoff" ist bei der vorliegenden Erfindung sehr allgemein zu verstehen. Insbesondere handelt es sich hierbei um Abfälle, Restabfälle oder dergleichen. Entsprechend kann es sich um einen sortenreinen Stoff, insbesondere aber auch um Gemische, Gemenge oder dergleichen handeln.
Vorzugsweise liegt der biogene Stoff in flüssiger Form oder als Dispersion, Sediment, Schlamm oder als sonstiges Gemisch aus flüssigen und festen Bestandteilen vor.
Die Bakterien werden dem biogenen Stoff vorzugsweise in Form eines Impf- oder Klärschlamms zugesetzt.
Als Bakterien werden vorzugsweise Mischkulturen, insbesondere wie sie in der Praxis auch vorkommen, beispielsweise Bakterien von Klärschlamm, eingesetzt.
Besonders bevorzugt werden nur anaerob arbeitende Bakterien eingesetzt.
Besonders bevorzugt werden Bakterien der Familie der Clostridien – insbesondere zumindest im wesentlichen ausschließlich – eingesetzt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Bakterien zumindest kurzzeitig derart erhitzt, daß zumindest die meisten methanbildenden Bakterien abgetötet werden. Es hat sich gezeigt, daß insbesondere sporen bildende Bakterien eine derartige Erhitzung bzw. Wärmebehandlung sehr gut überstehen können bzw. sich sehr schnell wieder aus den Sporen zu aktiven Bakterien entwickeln.
Durch die Ausschaltung bzw. das Abtöten von methanbildenden Bakterien wird der beim anaeroben Abbau entstehende Wasserstoff nicht weiter verarbeitet. Dementsprechend wird eine hohe Effektivität bei der Wasserstofferzeugung ermöglicht.
Die Bakterien werden dem biogenen Stoff wahlweise vor oder nach dem Erhitzen zugegeben. Wenn nur die Bakterienkultur erhitzt wird, ist weniger Energie erforderlich bzw. kann das Erhitzen schneller erfolgen.
Alternativ ist es auch möglich, daß nur die gewünschten Bakterien in Form von Sporen dem abzubauenden biogenen Stoff zugegeben werden.
Das Erhitzen erfolgt vorzugsweise regelmäßig.
Das Erhitzen erfolgt vorzugsweise jeweils für 10 Sekunden bis 30 Minuten.
Besonders bevorzugt erfolgt das Erhitzen durch Mikrowelleneinstrahlung.
Das Erhitzen erfolgt vorzugsweise jeweils auf mindestens 75°C, insbesondere 90°C oder mehr.
Ein zweiter, auch unabhängig realisierbarer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Bakterien mit Sauerstoff oder Luft zu spülen, um die Erzeugung des Wasserstoffs zu stimulieren und/oder methanbildende Bakterien zu unterdrücken.
Es hat sich gezeigt, daß durch insbesondere regelmäßiges Spülen mit Sauerstoff oder Luft die Erzeugung des Wasserstoffs im wesentlichen stimuliert werden kann.
Weiter wurde festgestellt, daß das Spülen mit Sauerstoff oder Luft zu einer Unterdrückung von methanbildenden Bakterien führen kann, wodurch wiederum die Effektivität der Wasserstofferzeugung gesteigert werden kann.
Das Spülen mit Sauerstoff oder Luft erfolgt vorzugsweise nur kurzzeitig, beispielsweise für höchstens fünf Minuten, und/oder regelmäßig, insbesondere mindestens alle drei Stunden.
Vor und nach dem Spülen mit Sauerstoff oder Luft erfolgt vorzugsweise jeweils ein Spülen mit einem inerten oder nicht brennbaren Gas, beispielsweise Stickstoff, um die Bildung von Knallgas zu verhindern.
Weiter kann ein Spülen mit einem inerten oder nicht brennbaren Gas, insbesondere Stickstoff, erfolgen, um einen erhöhten Wasserstoffpartialdruck zu vermeiden oder bei einem erhöhten Wasserstoffpartialdruck diesen wieder zu senken und so die Effektivität der Wasserstofferzeugung zu steigern.
Der erzeugte Wasserstoff wird vorzugsweise über eine für Wasserstoff durchlässige Membran abgeschieden.
Das vorliegende Verfahren erfolgt vorzugsweise kontinuierlich, also im Durchfluß. Zu jeder Zeit liegt vorzugsweise eine vollständige Durchmischung vor.
Während des Abbaus des biogenen Stoffs entstehen in der flüssigen Phase organische Säuren, insbesondere Essigsäure und Buttersäure. Diese Säuren können gegebenenfalls in einem nachgeordneten Schritt abgebaut werden.
Besonders bevorzugt erfolgt eine pH-Wert-Steuerung oder -Regelung. Durch die Steuerung bzw. Regelung des pH-Werts ist es nämlich möglich, methanbildende Bakterien ebenfalls zu unterdrücken oder zu inaktivieren.
Vorzugsweise werden die hydraulische Verweilzeit sowie das Schlammalter möglichst kurz gewählt, beispielsweise im Bereich einiger Stunden, angepaßt an den biogenen Stoff, um Bakterien mit einer langen Generationszeit, wie methanogene Archaea, auszuspülen bzw. zu unterdrücken. Dies kann auch unabhängig von anderen Maßnahmen erfolgen. Besonders bevorzugt erfolgt dies aber in Kombination mit dem genannten Erhitzen des Stoffes und/oder dem Spülen mit Sauerstoff bzw. Luft.
Es wird ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem biogenen Stoff, insbesondere Abfall, vorgeschlagen. Sporenbildende Bakterien bauen den biogenen Stoff anaerob und im Dunklen ab, wobei Wasserstoff erzeugt wird. Eine sehr effektive Wasserstoffabscheidung bzw. -erzeugung kann dadurch erreicht werden, daß die Bakterien zumindest kurzzeitig derart erhitzt werden, daß methanbildende Bakterien abgetötet werden. Alternativ oder zusätzlich werden die Bakterien mit Sauerstoff oder Luft gespült, um die Erzeugung des Wasserstoffs zu stimulieren und/oder methanbildende Bakterien zu unterdrücken.

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus biogenem Stoff, insbesondere CSB-reichem und/oder kohlehydrathaltigem Abfall, wobei insbesondere sporenbildende Bakterien den biogenen Stoff anaerob und/oder im Dunkeln abbauen und dabei Wasserstoff erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bakterien zumindest kurzzeitig derart erhitzt werden, daß methanbildende Bakterien abgetötet werden, und/oder daß die Bakterien mit Sauerstoff oder Luft kurzzeitig gespült werden, um die Erzeugung des Wasserstoffs zu stimulieren und/oder methanbildende Bakterien zu unterdrücken.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen regelmäßig erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen jeweils für 10 s bis 30 min erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen durch Mikrowelleneinstrahlung erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen jeweils auf mindestens 75°C erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bakterien in Form eines Impf- oder Klärschlamms dem biogenen Stoff vor oder nach dem Erhitzen zugegeben werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bakterien als Mischkultur zumindest vor dem Erhitzen vorliegen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest im wesentlichen nur anaerob arbeitende Bakterien eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Bakterien der Familie der Clostridien insbesondere primär eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbau im Durchfluß oder unter Bewegung erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorzugsweise zumindest im wesentlichen flüssiges Gemisch oder Gemenge aus dem biogenen Stoff, den Bakterien und ggf. sonstigen Zusätzen gebildet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Spülen mit Sauerstoff oder Luft regelmäßig, insbesondere mindestens alle 24 h, erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor und nach dem Spülen mit Sauerstoff oder Luft ein Spülen mit einem inerten oder nicht brennbaren Gas, insbesondere Stickstoff, erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung eines erhöhten Wasserstoffpartialdrucks oder bei einem erhöhten Wasserstoffpartialdruck ein Spülen mit einem inerten oder nicht brennbaren Gas, insbesondere Stickstoff, erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugte Wasserstoff über eine für Wasserstoff durchlässige Membran abgeschieden wird.