DE102010012921A1

DE102010012921A1 - Verfahren zur Förderung des Wachstums von Algen oder Cyanobakterien in einer wässrigen Lösung

Info

Publication number: DE102010012921A1
Application number: DE102010012921A
Authority: DE
Inventors: Dr. Zander Hans-Jörg
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-09-29
Also published as: WO2011116969A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Förderung des Wachstums von Algen in einem mit einer wässrigen Lösung gefüllten Behälter. Es wird vorgeschlagen, dass dem Behälter ein Seitenstrom der wässrigen Lösung entnommen, mit Kohlendioxid gesättigt und in Bodennähe in den Behälter zurückgeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Förderung des Wachstums von Algen oder Cyanobakterien in einem mit einer wässrigen Lösung gefüllten Behälter.
Die bisherige Energieversorgung basiert vor allem auf den fossilen Energieträgern Erdöl, Kohle und Erdgas. Deren Vorkommen haben jedoch eine begrenzte Reichweite und erschöpfen sich. Wegen der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern und aufgrund von Bestrebungen zum Umwelt- und Klimaschutz sowie zu geringerer Abhängigkeit von Energieexporteuren arbeitet man an Lösungen für eine nachhaltigere Energiebereitstellung. Daher findet derzeit ein starker Ausbau der Nutzung der so genannten erneuerbaren Energien statt. Als erneuerbare Energien werden Energiequellen bzw. Energieträger bezeichnet, die kurzfristig und nach menschlichen Maßstäben unerschöpfbar zur Verfügung stehen. Eine gewisse Bedeutung hat traditionell die Nutzung der Wasserkraft und von Biomasse. Seit den 1990ern nimmt insbesondere die Nutzung von Wind, Sonnenenergie und Biomasse stark zu.
Seit einiger Zeit gibt es auch vielfältige Bemühungen, Verfahren zur direkten Herstellung von Energieträgern mit Hilfe von Algen oder Cyanobakterien zu entwickeln. Algen, insbesondere Mikroalgen, sind pflanzliche Einzeller, die natürlicherweise in Gewässern schwebend vorkommen. Mit Hilfe des Sonnenlichts bauen sie über einen photosynthetischen Prozess aus Kohlendioxid (CO2) und Nährstoffen ihre Biomasse auf. Cyanobakterien sind zwar nicht den Pflanzen zuzurechnen, weisen aber ebenfalls einen photosynthetischen Mechanismus mit vergleichbaren Wirkungen auf. Die gebildete Biomasse kann als regenerativer Energieträger geerntet werden. Insbesondere ist das so genannte Algenöl von Interesse, das sich durch Auspressen aus den Algen gewinnen lässt. In verschiedenen Forschungsprojekten wird auch schon daran gearbeitet, Algen oder Cyanobakterien genetisch so zu verändern, dass sie direkt Energieträger z. B. in Form von Ethanol oder Wasserstoff produzieren.
Für einen wirtschaftlichen Einsatz von Algen oder Cyanobakerien zur Energiegewinnung ist die optimale Versorgung mit Licht, Kohlendioxid und Nährstoffen zum Biomasseaufbau entscheidend. Insbesondere ist die ausreichende Aufnahme von Kohlendioxid wichtig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art anzugeben, mit dem die Bildung von Biomasse beschleunigt werden kann.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dem Behälter ein Seitenstrom der wässrigen Lösung entnommen, mit Kohlendioxid gesättigt und in Bodennähe in den Behälter zurückgeleitet wird.
Der Erfindung liegt dabei die Überlegung zugrunde, dass Algen bei höheren Partialdrücken schneller wachsen. Aus Stofftransportrechnungen ergibt sich nämlich, dass der Biomasseaufbau durch den langsamen Eintrag von Kohlendioxid von der Luft in die wässrige Phase limitiert ist. Deshalb wird diskutiert, die üblicherweise als nach oben offene wassergefüllte Becken ausgebildeten, Behälter zur Aufzucht der Algen in der Nähe von fossilen Kraftwerken aufzustellen, um den hohen CO2-Partialdruck der Rauchgase aus den Kraftwerken für eine Beschleunigung des CO2-Stofftransports zu nutzen und gleichzeitig die CO2-Emissionen der Kraftwerke zu verringern. Für einen Eintrag des Rauchgases in das Becken muss aber mindestens der hydrostatische Druck des im Becken befindlichen Wassers überwunden werden. Dies bedeutet einen Druckverlust im Rauchgasweg, der sich sehr ungünstig auf den Energieverbrauch auswirkt. Außerdem erfordert der sehr große Volumenstrom des Rauchgases einen erheblichen apparativen Aufwand. Auch bei einer alternativen Ausgestaltung, bei der man das Rauchgas über die Wasseroberfläche streichen lässt, ergeben sich technische Schwierigkeiten. Einerseits soll nämlich das Sonnenlicht möglichst verlustfrei in das Becken einstrahlen und andererseits soll vermieden werden, dass sich das Rauchgas mit den Luftbewegungen bodennah verteilt.
Mit der Erfindung wurde nun eine Lösung gefunden, mit der den Algen oder Cyanobakterien ausreichende Mengen an Kohlendioxid zur Verfügung gestellt werden können, ohne einen nennenswerten Druckverlust oder einen zu hohen apparativen Aufwand in Kauf nehmen zu müssen. Dies wird dadurch erreicht, dass die im Behälter befindliche wässrige Lösung nicht direkt mit dem kohlendioxidhaltigen Gas beaufschlagt wird, sondern ein vom Behälter abgezogener Seitenstrom mit dem Kohlendioxid gesättigt und wieder in Bodennähe in den Behälter zurückgeführt wird.
Dabei kann die Sättigung des Seitenstroms durch technisch einfache Apparate erfolgen.
Zweckmäßigerweise wird der Seitenstrom in einem Sprühapparat mit Kohlendioxid gesättigt. Dieser Apparat kann gasseitig sehr druckverlustarm betrieben werden. Energie wird lediglich von einer zur Umwälzung des Seitenstroms vorgesehenen Umwälzpumpe verbraucht.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Seitenstrom in einer Füllkörperkolonne mit Kohlendioxid gesättigt wird.
Da das Wasser neben dem physikalisch gelösten Kohlendioxid ein Mehrfaches chemisch gelöst in Form von Hydrogencarbonaten enthält, lösen sich selbst in kleinen Seitenströmen bereits große Mengen an Kohlendioxid. Dies gilt insbesondere bei leicht alkalischen Bedingungen (pH-Wert zwischen ca. 7 und ca. 8,5). Bei diesen Bedingungen gedeihen darüber hinaus die Algen oder Cyanobakterien besonders gut. Der erforderliche Seitenstrom und der Sättigungsapparat können daher sehr klein ausgelegt werden.
Die erfindungsgemäße Maßnahme, den mit Kohlendioxid gesättigten Seitenstrom in Bodennähe wieder in den Behälter zurückzuleiten, beruht auf folgender Überlegung:
Da der Sättigungsdruck des Kohlendioxids unterhalb von 1 bar liegt, kommt es nicht zum sofortigen Ausgasen unter Blasenbildung. Der bei der Photosynthese der Algen oder Cyanobakterien gebildete Sauerstoff wird dagegen in Form von Gasblasen abgegeben, die Kohlendioxid enthalten. Dieses Kohlendioxid wird an der Wasseroberfläche des Behälters langsam an die Atmosphäre abgegeben. Deshalb ist es von besonderem Vorteil, den Seitenstrom nach der Aufsättigung in Bodennähe des Behälters aufzugeben. Das stark CO2-haltige Wasser vermischt sich von dort aus mit dem von den Algen bzw. Cyanobakterien entsättigten Wasser im Behälter und erhöht dessen CO2-Anteil.
Um die Aufnahmekapazität des Wassers für Kohlendioxid zu erhöhen und gleichzeitig ein zu starkes Absinken des pH-Werts durch das Lösen des sauren Kohlendioxids zu verhindern, wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung der Seitenstrom alkalisiert. Hierzu kann die Wasserhärte der wässrigen Lösung durch Zugabe von Kalk und/oder Natriumhydroxid erhöht werden. Auch eine Zugabe von Nährstoffen, insbesondere Ammonium und/oder Phosphat, kann zur Pufferung des pH-Werts beitragen.
Eine Weiterbildung des Erfindungsgedankens sieht vor, dass der mit Kohlendioxid gesättigte Seitenstrom vor dem Zurückleiten in den Behälter mit nicht gesättigter wässriger Lösung gemischt wird. Dadurch wird der pH-Wert des zurückgeleiteten Seitenstroms erhöht. Dies kann bei relativ hohen CO2-Drücken sinnvoll sein, bei denen der aufgesättigte Seitenstrom leicht sauer wird. Ständig wechselnde pH-Werte im Behälter sind nämlich für die Algen bzw. Cyanobakterien nicht förderlich.
Die Erfindung kann bei allen Arten von Behältern zur Aufzucht der Algen bzw. Cyanobakterien angewendet werden. In der einfachsten Ausführung ist der Behälter als oben offenes Becken ausgebildet, das mit Wasser gefüllt ist, in dem die Algen oder Cyanobakterien schweben. Der Behälter kann aber auch als geschlossener Reaktor ausgebildet sein. Die Algen oder Cyanobakterien können außerdem in schlauchförmigen Behältnissen gehalten werden.
Das zur Versorgung der Algen bzw. Cyanobakterien vorgesehene Kohlendioxid stammt zweckmäßigerweise aus dem Rauchgas eines mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerks. Dadurch ergeben sich zwei Vorteile gleichzeitig. Einerseits wird die Wachstumsgeschwindigkeit der Algen bzw. Cyanobakterien erhöht, so dass auf wirtschaftliche Weise Energieträger z. B. in Form von Algenöl, Ethanol oder Wasserstoff erzeugt werden können. Andererseits werden die CO2-Emissionen des Kraftwerks reduziert. Dabei wird im übrigen der Druckverlust des Rauchgasweges nicht signifikant erhöht.
Auch für den Fall, dass keine Rauchgase zur Verfügung stehen, kann die Wachstumsgeschwindigkeit der Algen bzw. Cyanobakterien erhöht werden, in dem man einen Seitenstrom vom Behälter abzieht und z. B. über einen Rieselfilm an der kohlendioxidhaltigen Luft sättigt und den gesättigten Seitenstrom schließlich in Bodennähe wieder in den Behälter zurückleitet. In diesem Fall ist allerdings ein größerer Umlauf erforderlich.

Claims

Verfahren zur Förderung des Wachstums von Algen oder Cyanobakterien in einem mit einer wässrigen Lösung gefüllten Behälter, dadurch gekennzeichnet, dass dem Behälter ein Seitenstrom der wässrigen Lösung entnommen, mit Kohlendioxid gesättigt und in Bodennähe in den Behälter zurückgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Seitenstrom in einem Sprühapparat mit Kohlendioxid gesättigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Seitenstrom in einer Füllkörperkolonne mit Kohlendioxid gesättigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Seitenstrom alkalisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Alkalisierung des Seitenstroms die Wasserhärte der wässrigen Lösung durch Zugabe von Kalk und/oder Natriumhydroxid erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Alkalisierung des Seitenstroms Ammonium und/oder Phosphat zugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Kohlendioxid gesättigte Seitenstrom vor dem Zurückleiten in den Behälter mit nicht gesättigter wässriger Lösung gemischt wird.