DE102009008563A1

DE102009008563A1 - Biotechnologisches Verfahren zur Herstellung von Energieträgern

Info

Publication number: DE102009008563A1
Application number: DE102009008563A
Authority: DE
Inventors: Lucia Viviane Sanders
Original assignee: SGS SANDERS GEOSCIENCE SE
Current assignee: SGS SANDERS GEOSCIENCE SE
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2010-08-19

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein biotechnologisches Verfahren zur Herstellung von Energieträgern, deren Kohlenstoffbasis aus der aktuellen Atmosphäre gezogen wurde oder durch Verwertung von Abwässern entstanden ist, wobei eine Methanbildung (Metahnogenese) mit einem Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, wobei Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator in einem Druckbehälter durch Temperatur- und/oder Druckerhöhung in Stoffe wie Kohle, Öl und/oder dergleichen artverwandte Stoffe umgewandelt wird, insbesondere mit einem Verfahren gemäß den Offenbarungen in der deutschen Patentanmeldung 10 2008 004 732.5, kombiniert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein biotechnologisches Verfahren zur Herstellung von Energieträgern, deren Kohlenstoffbasis aus der aktuellen Atmosphäre gezogen wurde oder durch Verwertung von Abwässern entstanden ist.
Bislang wurde CO₂ nur in photosynthetisch basierten Stoffwechselsystemen durch verschiedene Verfahren gebunden. Auf der anderen Seite gibt es aber auch eine Reihe von biotechnologischen Verfahren, die selber als nicht unerhebliche CO₂ Emittenten wirken. Dazu zählen neben den verschiedenen Fermentationsverfahren (Ethanol, Biogas) auch die Verbrennung von z. B. Holzhackschnitzeln, die CO₂ über viele Jahre gebunden haben, es aber innerhalb weniger Minuten bis Stunden bei ihrer Verbrennung wieder abgeben.
Mit der vorliegenden Erfindung sollen verschiedene biotechnologische Verfahren kombiniert werden, um Energieträger zu produzieren, deren Kohlenstoffbasis aus der aktuellen Atmosphäre gezogen wurde oder durch Verwertung von Abwässern entstanden ist.
Die Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung führen dabei sowohl zu einer deutlichen Effizienzsteigerung von bisher bekannten Biogasanlagen, als auch zu einer erheblichen Reduzierung des CO₂-Anteils entsprechender Anlagen und/oder Verfahren.
Darüber hinaus ist mit der vorliegenden Erfindung der in einigen industriellen Prozessen anfallende Wasserstoff, der derzeit ohne Verwendung ist und teilweise abgefackelt wird, wenigstens einer – sinnvollen – Nutzung zuführbar und nutzbar.
Aus der WO 2008/094282 A1 ist ein System und insbesondere ein Bioreaktor bekannt, der auf der Basis methanogener Bakterien, insbesondere Archaea Typen, zur Bakterienzucht und Methanproduktion eingesetzt wird. Nachteile dieser Anlage liegen insbesondere im Verfahrensteil des Gaseintrages – CO₂ und H₂ sind die Basis des Stoffwechsels der dort verwendeten Species –, der keine vollständige Gasnutzung zulässt und damit nur eine limitierte Wachstumsrate erreicht. Es hat sich gezeigt, dass die H₂ Bereitstellung in der Regel der Begrenzungsfaktor bzw. der Beschleuniger der Methanproduktionsmenge und des Biomassewachstums ist. Die vorliegende Erfindung nutzt an dieser Stelle Mikroreaktionsverfahren um eine verbesserte und genauer steuerbare Gasbereitstellung zu erreichen.
Weiterhin wird bei dem System gemäß der seitens WO 2008/094282 A1 eine Nährstofflösung eingesetzt bzw. genutzt, die die für das Bakterienwachstum erforderlichen Mineralstoffe und Spurenelemente bereitstellt. Die vorliegende Erfindung sieht dem gegenüber vor, Abwässer, insbesondere Abwässer aus dem in der deutschen Patentanmeldung 10 2008 004 732.5 , deren Offenbarungen hiermit explizit referenziert werden, offenbarten Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse (nachfolgend auch HTO-Prozess oder HTO-Verfahren genannt), einzusetzen bzw. zu nutzen.
Bei dem aus der EP 1 574 581 A2 offenbart ebenfalls ein Verfahren, bei dem CO₂ enthaltendes Gas zusammen mit Wasserstoff in einen Reaktionsbehälter eingebracht werden und wobei methanogene Bakterien die eingeleiteten Gase in hochwertiges Methan umsetzen sollen. Da der Gaseintrag dabei am Boden des Reaktors stattfindet, muss ein Gasüberschuss nachfolgend über einen Gaswäscher wieder aufwändig abgetrennt werden. Das mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Mikroreaktionsverfahren macht dies vorteilhafterweise überflüssig.
Beiden genannten Veröffentlichungen gemäß WO 2008/094282 A1 und EP 1 574 581 A2 ist gemein, dass auf eine Wasserstoffzulieferung aus Gastanks zurückgegriffen wird bzw. der Wasserstoff ausschließlich über Elektrolyse hergestellt wird. Bei den Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese für den methanogenen Stoffwechsel wesentliche Grundlage ebenfalls vom bekannten Stand der Technik abweichend anders gelöst. Erfindungsgemäß wird bei der vorliegenden Verfahrensführung der Wasserstoff vorteilhafterweise durch Organismen produziert, wobei auf Abfallwasserstoff zurück gegriffen und eine Mischung aus methanogenen Species eingesetzt wird, die zum Teil auch den Energieträger Wasserstoff durch im Abwasser enthaltenen Fettsäuren und andere Kohlenwasserstoffverbindungen beziehen. Es findet erfindungsgemäß also keine reine Gas-Gas-Umsetzung statt sondern eine Gas-, Liquid-, Solid-Gas-Umsetzung. Die Zusammensetzung der zugeführten Stoffe unterscheidet sich damit grundlegend von dem vorbekannten Stand der Technik.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind wie nachfolgend gegeben:
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Kombination von zwei Prozessen, erstens der Methanproduktion auf biologischer bzw. biochemischer Basis durch Einsatz von Mikroorganismen, vorzugsweise durch Chlamydomonas Reinhardii und hier besonders vorzugsweise durch den Mutanten HHPM1, und zweitens die weitere Verwendung der im ersten Verfahrensschritt und der Wasserstoffproduktion abgestorbenen Biomasse durch einen erfindungsgemäßen HTO-Prozess, insbesondere einen HTO-Prozess gemäß den Offenbarungen in der deutschen Patentanmeldung 10 2008 004 732.5 , deren Offenbarungen hiermit explizit referenziert werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren mit dem Ziel zum einen eine wesentlich breitere Versorgungsgrundlage der methanogenen Bakterien zu erreichen, weiterhin den Einsatz von gasförmigem CO₂ als Stoffwechselgrundlage zumindest eines Teils der eingesetzten Mikroorganismen zu gewährleisten, die teilweise benötigte Wasserstoffzufuhr ebenfalls durch Abfallstoffquellen bzw. Mikroorganismen zu gewährleisten und/oder den Bedarf an mineralischen Spurenelementen der eingesetzten Organismen mit den Inhaltsstoffen des Abwassers aus einem HTO-Verfahren gemäß den Offenbarungen in der deutschen Patentanmeldung 10 2008 004 732.5 , deren Offenbarungen hiermit explizit referenziert werden, und/oder aus kommunalen und/oder teilweise auch industriellen Abwässern zu decken.
Ein weiter Weg Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist in der Nutzung von Organismen, die Energie auf dem Photosynthese-Weg gespeichert haben gegeben, insbesondere um die Kohlenstoff- und Energiezufuhr der methanogenen Bakterien zu gewährleisten. Vorteilhafterweise zerlegt eine unvollständige HTO-Umsetzung die Proteine von z. B. Makroalgen und/oder von Algen und Bakterien einer sogenannten sewage-Aufbereitung in Fettsäuren, die vorteilhafterweise von einigen Species der methanogenen Archaea aufgenommen werden können. Ein solcher unvollständiger HTO-Prozess wird erfindungsgemäß vorteilhafterweise mit der Energie aus dem vollständigen eigentlichen HTO-Verfahren gemäß den Offenbarungen in der deutschen Patentanmeldung 10 2008 004 732.5 , deren Offenbarungen hiermit explizit referenziert werden, versorgt. Vorteilhafterweise wird der Prozess als Wärmetauscherkreislauf ausgelegt bzw. in einem solchen geführt, der über die abschließende Kühlung des mittels eines HTO-Prozesses gemäß den Offenbarungen in der deutschen Patentanmeldung 10 2008 004 732.5 , deren Offenbarungen hiermit explizit referenziert werden, gefertigten HTO-Öles die Energie bezieht. Das geringere Energieniveau reicht vorteilhafterweise für die unvollständige HTO-Umsetzung von Proteinen zu Fettsäuren und Acetaten aus.
Vorteilhafterweise wird die Gasumsetzung und die Aufnahme der Spurenelemente durch den erfindungsgemäßen Einsatz von Mikroreaktionsverfahren zum einen erhöht und zum anderen regelbar, vorteilhafterweise derart, dass nur die auch aktuell tatsächlich von den Mikroorganismen umsetzbare Menge zudosiert wird.
Da die Löslichkeit der Gase, insbesondere des Wasserstoffs in Wasser, deutlich beschränkt ist, nutzt die vorliegende Erfindung in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorteilhafterweise die Eigenschaften von Zeolithen, vorteilhafterweise auch durch Metalle modifizierter Zeolithe, zur Zwischenspeicherung der Gase. Vorteilhafterweise tragen die Zeolithe ferner durch ihre Porosität sowie ihrer Korngröße zur Schaffung der Mikroreaktionsräume bei. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, diese Wirkung ebenfalls durch eine poröse Keramik mit entsprechend metallisierten Porenoberflächen zu erreichen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die zur Biomasseproduktion erforderlichen Stickstoffverbindungen in erheblichem Maße durch das Abwasser eines angekoppelten HTO-Verfahrens gemäß den Offenbarungen in der deutschen Patentanmeldung 10 2008 004 732.5 , deren Offenbarungen hiermit explizit referenziert werden, bereitgestellt.
Soll die Methanogenese allein betrieben werden, so wird der Stickstoffbedarf vorteilhafterweise insbesondere durch die Abwässer aus anderen kommunalen und industriellen Quellen gedeckt.
Zur Mischung der Mikroorganismen gehören in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die wasserstoffproduzierenden Chlamydomonas. Das von ihnen produzierte Gas wird vorteilhafterweise sofort in den methanogenen Prozessteil eingebracht.
Die Gaseinkopplung erfolgt in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung über einen Rohrbündelreaktor, dessen Rohrdurchmesser im Millimeterbereich liegt. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht die Füllung der Rohre mit Zeolith- und/oder Keramikpartikeln vor. Dadurch werden die Reaktionsräume vorteilhafterweise auf kleiner/gleich 1 mm reduziert. Erfindungsgemäß wird durch ein solches Rohrbündel die methanogene Biomasse mittels Pumpe gefördert. Der Gaseintrag erfolgt vorteilhafterweise über Kapillarbohrungen in einer Lavalldüse, womit vorteilhafterweise ein Einsaugen der Gase erreicht wird.
Vorteilhafterweise erfolgt der Eintrag der mineralischen Spurenelemente auf gleichem Weg und/oder direkt im Reaktorbehälter an dem das Rohrbündel angeschlossen ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Versorgung mit CO₂ durch CO₂ aus Verbrennungsgasen, vorzugsweise aus der Verbrennung eines Teiles des mittels eines HTO-Prozesses gemäß den Offenbarungen in der deutschen Patentanmeldung 10 2008 004 732.5 , deren Offenbarungen hiermit explizit referenziert werden, gefertigten HTO-Öles in einem Gas- oder Stirlingmotor. Durch die Kopplung der Methan- und Ölproduktion wird zum einen eine deutliche Verbesserung der Wirtschaftlichkeit erreicht, zum anderen aber auch eine Grundlage für autonom arbeitende Systeme zur Energieversorgung gelegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2008/094282 A1 [0006, 0007, 0009]
- DE 102008004732 [0007, 0010, 0011, 0012, 0012, 0015, 0020]
- EP 1574581 A2 [0008, 0009]

Claims

Biotechnologisches Verfahren zur Herstellung von Energieträgern, deren Kohlenstoffbasis aus der aktuellen Atmosphäre gezogen wurde oder durch Verwertung von Abwässern entstanden ist, wobei eine Methanbildung (Methanogenese) mit einem Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, wobei Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator in einem Druckbehälter durch Temperatur- und/oder Druckerhöhung in Stoffe wie Kohle, Öl und/oder dergleichen artverwandte Stoffe umgewandelt wird, insbesondere mit einem Verfahren gemäß den Offenbarungen in der deutschen Patentanmeldung 10 2008 004 732.5 , kombiniert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine direkte energetischen Verwendung des Methans und einiger Ölanteile hergestellt nach dem Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Erzeugung und Nutzung von Ammoniak als Stickstoffquelle.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Mischung von Mikroorganismen, deren Stoffwechsel auf verschiedenen Grundlagen basiert, vorzugsweise auf der reinen Umsetzung von CO₂ und H₂, der Nutzung von Abwasser, der Nutzung von Kohlenwasserstoffen und/oder der Nutzung von Stoffwechselprodukten anderer Lebewesen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Ablauf der Methanogenese im atmosphärischen Druckbereich, bei entsprechender Auswahl der Mikroorganismen vorzugsweise in einem Druckbereich bis etwa 100 bar, besonders bevorzugt bis etwa 10 bar.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Produktion von Stickstoffdünger aus dem durch die hydrothermale Karbonisierung von Biomasse erzeugten Ammoniak, welches vorzugsweise zur Zwischenspeicherung und/oder Verfügbarmachung durch Kalkwasser geleitet und so gebunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Verfügbarmachen von einfachen Fettsäuren für die Methanogenese durch eine unvollständige hydrothermale Karbonisierung von Biomasse (HTO-Prozess), wobei die Proteine vorzugsweise nur zu Fettsäuren abgebaut werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Algen und Bakterien anderen Ursprungs, vorzugsweise Mikroorganismen aus der sewage-Behandlung und/oder Markoalgen, als Kohlenstoff und Energielieferant der Methanogenese verfügbar gemacht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Nutzung von industriellem Abfallwasserstoff, vorzugsweise aus einer Chlorgasproduktion, durch die methanogenen Bakterien.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen Einsatz von Zeolithen und/oder porösen Keramiken, vorzugsweise auch in modifizierter, metallisierter Form, besonders bevorzugt auch in Kombination mit Aktivkohle, zur weiter verbesserten Verfügbarmachung von Effluenten in das Reaktionssystem.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch den Einsatz von Chlamydomonas Reinhardii, vorzugsweise des Mutanten HHPM1, zur Wasserstoffproduktion.
Reaktor zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit wenigstens einem Vorrats-/Speicherbehälter und wenigstens einem Mikroreaktor zum Eintrag von Gasen und/oder Lösungen bzw. Suspensionen und/oder Dispersionen in den Reaktorinhalt.
Reaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrag von Gasen und/oder Lösungen bzw. Suspensionen und/oder Dispersionen in den Reaktorinhalt mittels wenigstens einer Pumpvorrichtung durch den Mikroreaktor erfolgt.
Reaktor nach Anspruch 12 der Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroreaktor aus einem Rohrbündel in Kombination mit T-förmig angeordneten Düsen, Mäandern und/oder Kreuzstromreaktoren besteht.