DE102009058588A1

DE102009058588A1 - Verfahren zur Erzeugung von Biomasse, Biogas und Herstellung von Treibstoff.

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Publication number: DE102009058588A1
Application number: DE102009058588A
Authority: DE
Original assignee: ORTLOFF HELENE; Ortloff Helene 09112
Current assignee: ORTLOFF HELENE; Ortloff Helene 09112
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2011-08-18

Abstract

Verfahren zur Aufschließung von ligninhaltiger Cellulose durch Quetschen mit dem Doppelschneckenextruder und hydrolysieren mit Hilfe von Säuren, Laugen, Pilzen, Bakterien, Wärme und Druck, die dabei entstehenden Substanzen sind mit Methanbakterien dann in Biogas umsetzbar. Dadurch gekennzeichnet das die Biomasse sehr schnell verfügbar ist und vollständig in Biogas umgesetzt wird. Das Verhältnis der Säuren und Laugen ist abhängig von dem Kohlenstoff-, Stickstoff-, Phospor- und Schwefelgehalt der Biomasse, die Verhältnisse müssen zur C = 600, N = 15, P = 5, S = 1 sein. Verfahren zur Umsetzung des Biogases durch katalytische Techniken in Methanol mit Reinigung und Umsetzung durch nano-Keramik und biologische Katalyten.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Zeit nach dem Erdöl braucht einen Ersatztreibstoff. Die Biomasse kann das Erdöl ersetzten. Weltweit werden ca. 1000 Mrd. Tonnen Biomasse genutzt. Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Methode zur Züchtung von Biomasse mit Hilfe von Algen. Diese Biomasse wird in einer Biogasanlage in Dünger und Biogas umgesetzt. In einem katalytischen Verfahren werden Biogas (Methan, Wasser, Kohlendioxid) zu Methanol umgesetzt.
Technisches Gebiet
Die Erfindung beschreibt eine Verfahren zur Züchtung der biologischen Grundsubstanz und die Verbesserung der Ausbeute durch spezielle Bakterienkulturen. Das Verfahren ist außerdem so gesteuert das die Düngequalität der Reststoffe verbessert wird. Das Biogas wird in einem katalytischen Reformer zu Methanol verarbeitet.
Problemstellung
Die Erzeugung von Biomasse darf nicht in Konkurrenz zur Erzeugung von Lebensmitteln stehen. Es ist deshalb ein Bereich zu wählen der für die Lebensmittel nicht von Interesse ist.
Der Abfall der zur Zeit nicht effektiv genutzt wird hat ein Volumen von ca. 600 Mrd. Tonnen. Diese Menge kann die zur Zeit verbrauchte Ölmenge mehrfach ersetzen und eine Pufferung für Energie schwache Zeiten darstellen.
Es ist effektiv und lukrativ, Methan, den Hauptbestandteil von Biogas und Erdgas, weniger energieaufwändig zu Methanol hydroxylieren zu können. Bislang produziert die Industrie Methanol meist mit Wasserdampfeinsatz unter recht hohen Temperaturen.
Die wahre Methanol-Wirtschaft könnte aber ganz auf Erdgas, Öl oder Kohle verzichten, ist Olah überzeugt: ”Methanol kann durch Umsetzung von Kohlendioxid mit Wasserstoff erzeugt werden.” Verbrennungsgase von Kraftwerken und viele Industrieabgase enthalten beträchtliche Mengen an Kohlendioxid, das leicht isoliert werden könnte. Statt das Treibhausgas Kohlendioxid, wie vielfach diskutiert, zu sammeln und mehr schlecht als recht für teures Geld zu lagern, könnte es durch Umsetzung in Methanol sinnvoll genutzt werden.
Vorteil des neuen Verfahrens ist:

• Verbesserung des Wirkungsgrades,
• Zusatz von Stoffen die eine Verbesserung der Ausbeute bringen,
• effiziente katalytische Umsetzung von Biogas zu Methanol,
• Energiegewinn durch Nutzung erneuerbarer Energie zur Verdoppelung der Ausbeute,
• Katalytische Methan – Methanolumwandlung
• Reinigung des Biogas durch Membrantechnik
• Erhöhung des Wirkungsgrades
• Verbesserung der Düngewirkung des Reststoffes

Stand der Technik
Biogasanlagen arbeiten zur Zeit meist suboptimal, da die Fermentation mit dem Impfen durch Gülle stattfindet. Biogasanlagen werden mit steigendem Erfolg mit Abfällen oder als NaWaRo-Anlagen mit Mais betrieben. Durch die Wettbewerbssituation sind in den letzten Jahren einige Anstrengungen gemacht worden den Wirkungsgrad zu verbessern. Dies zeigt sich in der Entwicklung von Enzymen um Cellulose aufzuschließen.
Holz in Biogasanlagen ist zur Zeit von Konkurrenten nicht machbar, das Problem ist die kristalline Cellulose die mit Lignin gebunden ist. Ein weiteres Problem sind die Tanine sie verhindern in der Natur das Zellen von Pilzen oder Bakterienkulturen angegriffen werden. In der Natur werden diese Stoffe durch die Cellulase langsam aufgeschlossen und stehen dann der Vergärung zur Verfügung. Die Biogasanlagen haben nicht soviel Zeit und sind deshalb nicht in der Lage in der normalen Durchgangszeit von ca. 30 Tagen Cellulose in Biogas umzuwandeln.
Derzeit wird Methanol zumeist im so genannten Fischer-Tropsch-Verfahren aus Synthesegas hergestellt, einer Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird. Olahs Forschungsgruppe arbeitet an Methoden zur direkten Umwandlung von Erdgas – also Methan – in Methanol.
Methanol ist im Gegensatz zu Wasserstoff ein einfach zu handhabender flüssiger Energieträger, als Treibstoff geeignet und zudem ein guter Rohstoff für die Synthese von Grundprodukten der chemischen Industrie.
Das Methangas (Biogas) wird bisher in einem Dampfreformer mit Hilfe von Druck und Temperatur und einem Katalysator zu Methanol verarbeitet.
Diese Anlagen benötigen einen hohen Energieeinsatz und sind damit ineffizient.
Lösung:
Quetschtechnik:
Die Lösung ist, das Material wird durch mechanische Quetsch- und Reibetechnik möglichst fein aufgeschlossen. Diese Aufschlußtechnik kann z. B. mit Hilfe eines Doppelschneckenextruders erreicht werden. Damit wird gewährleistet, das Bakterien eine möglichst große Oberfläche und viele zerstörte Zellwände vorfinden. Dieser Vorgang beschleunigt die Umsetzung in Biogas.
Hydrolyse:
Das Aufschließen von kristalliner Cellulose dauert in der Natur meist Jahre, in einer Biogasanlagen stehen nur bis zu 30 Tage zur Verfügung, deshalb muß der Vorgang beschleunigt werden. Das Aufschlußverfahren nutzt deshalb die saure und basische Aufschließung wie sie im Magen stattfindet, beschleunigt wird der Vorgang durch Druck und Hitze.
Die technische Umsetzung der Hydrolyse wird durch die Vorfermentierung im Bunker mit Pilzen oder Bakterien, wenn die Durchlaufzeit nicht reicht mit chemischen Mitteln Die Hydrolyse kann mit einem sauren und basischem Milieu erreicht werden, abhängig von dem aus zuleitenden Wertstoff oder der Verbesserung der Subtrats zur Erlangung einer besseren Ausbeute.
Fermenter:
Um guten Durchsatz zu erreichen ist es besser das Verfahren 2stufig durch zu führen. In der 2stufigen Anlage ist die erste Stufe sauer die 2te Stufe leicht basisch. Diese Vorbehandlung verlangt danach das Neutralisieren, wie es am Eingang zum Darm stattfindet.
Katalysator:
Der Kathalysator wandelt Biogas CH4 + CO2 + Wasser zu Methanol um.
2 Verfahren sind vorgesehen:
Verfahren 1: mit Synthesegas

1. Reinigung des Biogas durch Porenfilter
2. Zerlegung durch Perowskit-Katalysator in Synthesegas
3. Synthese durch Druck und Temperatur

Verfahren 2: mit Methanmonooxigenase
Die Methanmonooxigenase diehnt bestimmten Bakterien dazu Methan zu hydroxylieren. Dabei wird eine der reaktionsträgen C-H-Bindungen gespalten. Die meisten Enzyme sind dazu nicht in der Lage, weil eine hoch aktivierte Sauerstoffzwischenstufe benötigt wird. In den natürlichen Monooxigenasen wird sie durch ein Anordnung bereitgestellt, in der Eisenatome durch eine Sauerstoffbrücke verbunden sind.
Das „neue” Nickel-Enzym selbst ist nichts Exotisches: Angesichts seines hohen Prozentgehalts in den Mikroorganismenzellen und angesichts der riesigen Flächen im Meer, wo Methan oxidiert wird, darf man es sicherlich als ein weltweit häufiges Enzym mit einer Schlüsselfunktion im Stoffkreislauf der Meere bezeichnen.
Die Erfindung soll nachfolgend an Ausführungsbeispielen erläutert werden. Diese Beispiele sind nur eine Auswahl der grundsätzlichen Technologie die Zusammensetzung und Technologie variiert je nach Material und Ausleitung von Wertstoffen.
Die 1 zeigt das Blockschaltbild der gesamten Anlagentechnik.
Die Anlagen Technik besteht aus Vorratsbehältern die je nach Art des Material teilweise der Seuchen- und Hygieneordnung entsprechen müssen, sodas teilweise eine Serilisation vorgeschaltet ist.
Materialien mit geringer Festigkeit oder flüssige Substrate werden direkt in den Vorfermenter geleitet zur Hydrolyse. Im Mischer wird die Zusammensetzung zur besseren Verwertung mit Zusatzstoffen versehen um die Ausbeute erhöhen. Das Gemisch geht dann in den Hauptfermenter der je nach Substrat zusätzlich Bakterien zugesetzt bekommt um bestimmte ungünstig verlaufende Umsetzungen zu verhindern.
Das ausgelaugte Substrat geht nach wenigen Tagen in den Lagerbehälter in dem eine Stabilisierung erfolgt und weiteres Biogas abgeführt wird. Nach der Stabilisierung geht das Substrat in eine Presse in der die Pressflüssigkeit in den Fermenter zurück geführt wird, der rest geht zur Trocknung und zur Aufbereitung als Dünger.
Während der Trocknung werden Symbiosebakterien und Pilze zugeführt um das Wurzelwerk der Pflanzen zu verbessern. Die Trocknung wird bis zur Nutzbarkeit als Kopfdünger fortgesetzt wobei primär durch Zugluft dir Trocknung erfolgt.
Die 2 zeigt das Blockschaltbild der Biogasanlage
Die Zeichnung zeigt nur eine prinzipielle Anordnung, die Rückführung von Material ist der Übersichtlichkeit wegen nicht eingezeichnet und Teile wie die Gasreinigung sind nicht im Blockschaltbild vorhanden, sondern nur das Grundschema.
Die Biogasanlage ist als industrielle Anlage vorgesehen mit einer automatischen Messung und Regelung. Die Ausführung dieser Technologie ist nicht Bestandteil dieses Patents.
Die 3 zeigt das Blockschaltbild der Katalytanlage nach Verfahren 1.
Die Einzelteile sind die Poren Keramik zur Gasreinigung,
die katalytische Zerlegung in Synthese Gas,
das thermische Druckverfahren zur Synthese,

Claims

Verfahren zur Aufschließung von ligninhaltiger Cellulose durch Quetschen mit dem Doppelschneckenextruder und hydrolysieren mit Hilfe von Säuren, Laugen, Pilzen, Bakterien, Wärme und Druck, die dabei entstehenden Substanzen sind mit Methanbakterien dann in Biogas umsetzbar. Dadurch gekennzeichnet das die Biomasse sehr schnell verfügbar ist und vollständig in Biogas umgesetzt wird. Das Verhältnis der Säuren und Laugen ist abhängig von dem Kohlenstoff-, Stickstoff-, Phospor- und Schwefelgehalt der Biomasse, die Verhältnisse müssen zur C = 600, N = 15, P = 5, S = 1 sein. Verfahren zur Umsetzung des Biogases durch katalytische Techniken in Methanol mit Reinigung und Umsetzung durch nano-Keramik und biologische Katalyten.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umsetzung von Biogas, durch katalytische Technologie in Methanol die Hilfe der Methanmonooxigenase durch einen thermisch stabilisierten Biokatalyten genutzt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Vorfermenter durch Säure und oder Lauge die kristalline Zelluose in eine Bakterien verfügbare Masse umgesetzt wird, deren Zusammensetzung durch die Wahl der Materialien verbessert wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Biogas durch eine poröse nano-Keramik mit Poren im Angströmbereich getrennt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die nano-Keramik und der Katalyt ein homogenes Material ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die nano-Keramik und der Katalyt ein inhomogenes Material ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufarbeitung der Reststoffe Bakterien wie Clostridia und Pilze wie Trichoderma im Lagerbereich eingesetzt werden.