DE102013007659A1 - Apparatus and method for bioelectrochemical conversion (providing reduction / oxidation / redox reaction) - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung (1) zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung von organischen und/oder anorganischen Stoffen wässrigen und/oder gasförmigen Zustands mit wenigstens einem Zulauf (5, 14, 19, 20) und wenigstens einem Ablauf (9, 15, 21, 22) sowie einem Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung (1), wobei in mindestens einem Reaktor (6, 8, 13, 17, 18) mindestens eine Anode (2) und/oder mindestens eine Kathode (3) angeordnet ist wobei mittels des wenigstens einen Zulaufs (5, 14, 19, 20) Edukte dem mindestens einem Reaktor (6, 8, 13, 17, 18) zugeführt werden und dort mittels der mindestens einen Anode (2) und/oder der mindestens einen Kathode (3) bioelektrochemisch umgewandelt bzw. umgesetzt werden.The invention relates to a device (1) for the bioelectrochemical conversion of organic and / or inorganic substances aqueous and / or gaseous state with at least one inlet (5, 14, 19, 20) and at least one outlet (9, 15, 21, 22) and a method for operating the device (1), wherein in at least one reactor (6, 8, 13, 17, 18) at least one anode (2) and / or at least one cathode (3) is arranged by means of at least an inlet (5, 14, 19, 20) reactants are fed to the at least one reactor (6, 8, 13, 17, 18) and there bioelectrochemically by means of the at least one anode (2) and / or the at least one cathode (3) be converted or implemented.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung nach der Gattung des Anspruchs 1 und einem Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach der Gattung des Anspruchs 13.The invention is based on a device for bioelectrochemical conversion according to the preamble of
Bei den bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Stoffumwandlung von Inhaltsstoffen in Fluiden und auch teilweise in Gasen, die nicht im thermodynamischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung stehen bzw. die ein Redox-Potential aufweisen, haben sich biologische Reinigungsverfahren, insbesondere zur Klärung von Abwasser, als kostengünstigste Verfahren herausgestellt und dadurch in der allgemeinen Anwendung etabliert. Die Nachteile an diesen biologischen Verfahren, hier aerobe und anaerobe Verfahren, beispielsweise bekannt aus der Abwasserreinigung oder der Energiegewinnung, wie z. B. die Patentschriften
Die ebenfalls bekannten chemisch-physikalischen Verfahren, wie die Patentschrift
Bei der ebenfalls bekannten Ionenabspaltung mittels Elektrolyse, ebenfalls ein stoffumsetzendes Verfahren, wird ein sehr hoher Energieaufwand erforderlich, wodurch der praktische Einsatz in den Anwendungen sehr eingeschränkt wird.In the likewise known ion elimination by means of electrolysis, also a material-converting process, a very high energy consumption is required, whereby the practical use in the applications is very limited.
Darüber hinaus sind auch bioelektrochemische Verfahren bereits bekannt, wie der der Erfindung nächste Stand der Technik, der in der internationalen Patentanmeldung
Nachteile beim Stand der TechnikDisadvantages of the prior art
Aerobe biologische Verfahren erzielen hohe Wirkungsgrade bei der Abreinigung, da solange Sauerstoff (bzw. Luft) eingeblasen wird bis das verarbeitende Substrat relativ vollständig oxidiert wurde. Dies ist mit dem Nachteil einer hohen Schlammproduktion und hohem zusätzlichen Energiebedarf verbunden. Die hohen Wirkungsgrade beim aeroben Verfahren beruhen auf den dort eingesetzten einfachen technischen Apparaten und Mitteln, über die Sauerstoff (O2) in ausreichender Menge als terminaler Elektronenrezeptor für die aeroben Prozesse bereitgestellt wird. Durch den Sauerstoff-Einsatz wird jedoch sehr viel Überschussschlamm produziert, der im Anschluss an den aeroben Prozess verhältnismäßig teuer nachbehandelt werden muss. In jedem Fall ist diese Technologie an sich sehr energieintensiv (siehe hierzu
Im Gegensatz zum aeroben Prozess ist bei anaeroben Verfahren die Überschussschlammproduktion deutlich geringer. Allerdings ist dies mit dem Nachteil verbunden, dass die Verfahren im Wirkungsgrad beschränkt sind, da die beteiligten Stoffe nicht unbegrenzt zur Verfügung stehen, bzw. da hier definitionsgemäß nicht mittels Sauerstoff oxidiert wird (und damit keine Elektronen „nach außen” abgegeben werden können). Auch der hier zu leistende Energieeintrag ist begrenzt, da die Energie lediglich für das Durchmischen des Substrats aufgewandt werden muss. Nachteilig sind hierbei darüber hinaus Verfahren mit einem zusätzlichen Wärmebedarf.In contrast to the aerobic process, excess sludge production is significantly lower in anaerobic processes. However, this is associated with the disadvantage that the methods are limited in their efficiency, since the substances involved are not available indefinitely, or since, by definition, oxygen is not oxidized here (and therefore no electrons can be released "to the outside"). Also, the energy input to be made here is limited, since the energy must be expended only for the mixing of the substrate. Disadvantages here are also processes with an additional heat requirement.
Je nach Verfahren und gewünschter Wirkung sind die beiden Prozesse, nämlich zur Reduktion bzw. Elimination von Stickstoff auf aerober oder anaerober Basis miteinander kombinierbar. Eine derartige Verfahrenskombination benötigt jedoch zusätzliche Energie bspw. für die hierbei notwendige Rezirkulation. Überdies sind beide Verfahren in ihrem Substratspektrum eingeschränkt. Im anoxischen Zwischenbereich ist der Energieeintrag wie auch die Wirkungsgrade aufgrund der Substratverteilung begrenzt.Depending on the process and the desired effect, the two processes, namely for the reduction or elimination of nitrogen on an aerobic or anaerobic basis, can be combined with one another. However, such a combination of methods requires additional energy, for example, for the necessary recirculation. Moreover, both methods are limited in their substrate spectrum. In the anoxic intermediate region, the energy input as well as the efficiencies due to the substrate distribution is limited.
Beide Verfahren sind somit entweder im Substratspektrum (beispielsweise Zudosierung einer externen Kohlenstoffquelle) oder in der Syntheseproduktion beschränkt.Both methods are thus limited either in the substrate spectrum (for example, metered addition of an external carbon source) or in the synthesis production.
Die bioelektrochemische Denitrifikation weist in sich, sowie in Kombination mit obigen Verfahrenstechniken, viele Vorteile auf. Die erzielbaren Wirkungsgrade sind vergleichbar der Oxidation, da die Anode diese Funktion übernehmen kann, ohne dabei den erhöhten Überschuss-Schlammanfall zu produzieren. Die Kathode kann die Funktion des Elektronendonators übernehmen, wobei sich eine mögliche Substratbeschränkung im Dargebot nicht mehr limitierend auf die Reinigungsleistung auswirken kann.Bioelectrochemical denitrification has many advantages as well as in combination with the above techniques. The achievable efficiencies are comparable to the oxidation, as the anode can perform this function without producing the increased excess sludge accumulation. The cathode can take over the function of the electron donor, whereby a possible Substrate restriction in the offer can no longer have a limiting effect on the cleaning performance.
Die Elektrolyse weist hohe Wirkungsgrade bei einer niedrigen Schlammproduktion und einem breiten Substratspektrum auf, erfordert jedoch einen hohen Energieaufwand zur Überwindung der Zell- und Ionenspannung. Zudem verbraucht sich der anorganische Katalysator während der Elektrolyse. Ein gemischtes Verfahren mit mikrobieller Brennstoffzelle ist nie marktreif geworden, was auf die teuren Anordnungen zurückzuführen ist. Auch wurden die Systeme vielfach auf die direkte Energieerzeugung hin optimiert, anstatt auf die Stoffumsetzung als grundlegenden Prozess zu bauen.The electrolysis has high efficiencies with a low sludge production and a broad substrate spectrum, but requires a lot of energy to overcome the cell and ion voltage. In addition, the inorganic catalyst consumes during the electrolysis. A mixed process with microbial fuel cell has never become marketable, due to the expensive arrangements. In many cases, the systems have been optimized for direct energy generation instead of relying on material conversion as a basic process.
Die bioelektrochemische Denitrifikation weist auch in Kombination mit obigen Verfahrenstechniken viele Vorteile auf, da an gezielter Stelle und mit großer Unabhängigkeit eine Oxidation, beziehungsweise eine Reduktion, bzw. eine Redox-Reaktion herbeigeführt werden kann.The bioelectrochemical denitrification also has many advantages in combination with the above process techniques, since oxidation, reduction or redox reaction can be brought about at a specific site and with great independence.
Der Erfindung zur Grunde liegende AufgabeThe underlying task of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zur Grunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Reinigung der Schmutzfracht in einem Substrat wie Abwassergülle, Gülle, Biogasanlagen und dgl. bei reduzierter Energiezufuhr und möglicherweise Energieüberschuss, bzw. Syntheseprodukt-Erzeugung (beispielsweise Biogas) zu entwickeln. Das Verfahren soll mit herkömmlichen Verfahren kombinierbar sein, um diese zu optimieren. Es soll die Überschussschlammbilanz verbessert werden bei gleichzeitiger Reduktion der Betriebskosten. Darüber hinaus soll der Prozess einen höheren Wirkungsgrad, sowie ein breiteres Substratspektrum aufweisen.The invention has for its object to develop a method and a device for cleaning the contaminant load in a substrate such as waste water, liquid manure, biogas plants and the like. With reduced energy input and possibly energy surplus, or synthesis product generation (eg biogas). The method should be combinable with conventional methods in order to optimize them. It is the surplus sludge balance to be improved while reducing the operating costs. In addition, the process should have a higher efficiency, as well as a broader substrate spectrum.
Die Erfindung und ihre VorteileThe invention and its advantages
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung von organischen und/oder anorganischen Stoffen wässrigen und/oder gasförmigen Zustands mit wenigstens einem Zulauf und wenigstens einem Ablauf mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 13, haben demgegenüber den Vorteil, dass in mindestens einem Reaktor mindestens eine Anode und/oder mindestens eine Kathode angeordnet ist wobei mittels des wenigstens einen Zulaufs Edukte dem mindestens einem Reaktor zugeführt werden und dort mittels der mindestens einen Anode und/oder der mindestens einen Kathode bioelektrochemisch umgewandelt bzw. umgesetzt werden. Hierdurch wird der apparative Aufwand im Vergleich zu den bisher bekannten Verfahren reduziert. Zudem arbeitet das Verfahren membranlos und ist somit sowohl für den Batch- wie auch den kontinuierlichen Betrieb geeignet, wobei es unerheblich ist, ob es sich um ein spezielles (aggressives) oder moderates Umgebungsmilieu handelt.The device according to the invention for the bioelectrochemical conversion of organic and / or inorganic substances aqueous and / or gaseous state with at least one inlet and at least one sequence with the characterizing features of
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Biofilm auf die mindestens eine Anode und/oder mindestens eine Kathode aufgebracht. Durch das Anbringen der Biomasse auf den Elektroden wird der ablaufende Prozess katalysiert. Durch diese reduzierte Zellspannung ist auch der energetische Aufwand vergleichsweise sehr gering und es muss lediglich die Zellspannung der beteiligten Bakterienmasse überwunden werden. Hierzu wird von außen ein geringes Potential angelegt, wie beispielsweise beim Potentiostat. Somit wird aus dem Prozess ein Schwachlastprozess. Aufgrund der thermodynamischen Situation der zu Grunde liegenden Redox-Reaktionen ist dabei einerseits ein Elektronenüberschuss erzielbar bzw. ist andererseits ein etwaiger Mangel für eine bestimmte Reaktion mit zusätzlichen Elektronen auszugleichen. Es ist erfindungsgemäß möglich, Reduktion und Oxidation einzeln auszuführen, miteinander auszuführen oder voneinander zu trennen, bzw. Redox-Reaktionen zwischen Partnern zu ermöglichen, deren Redox-Potential sonst nicht erschließbar wäre (beispielsweise direkte anaerobe Ammonium-Elimination ohne Bildung von NO2, NO3).According to an advantageous embodiment of the device according to the invention, a biofilm is applied to the at least one anode and / or at least one cathode. Attaching the biomass to the electrodes catalyses the process that is going on. Due to this reduced cell voltage and the energy expenditure is comparatively very low and it must be overcome only the cell voltage of the bacterial mass involved. For this purpose, a low potential is applied from the outside, such as the potentiostat. Thus, the process becomes a low load process. On the one hand, because of the thermodynamic situation of the underlying redox reactions, an excess of the electron can be achieved or, on the other hand, any deficiency for a particular reaction with additional electrons can be compensated. It is possible according to the invention to individually carry out reduction, to carry out or separate from one another, or to allow redox reactions between partners whose redox potential would otherwise not be accessible (for example, direct anaerobic ammonium elimination without formation of NO 2 , NO 3 ).
Im Vergleich zu bisherigen bekannten Verfahren, beispielsweise der Elektrolyse, läuft das Verfahren jedoch mit deutlich verminderter Spannung ab, da nicht der Vorgang einer erzwungenen Ionen-Entladung zu Grunde liegt, sondern die Redox-Reaktion mit direkter Elektronenübergabe biologisch katalysiert wird.Compared to previous known methods, such as electrolysis, but the process proceeds with significantly reduced voltage, since not the process of forced ion discharge is based, but the redox reaction is biologically catalyzed with direct electron transfer.
Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Biofilm auf der mindestens einen Anode und/oder der mindestens einen Kathode ein sessiler Biofilm. Somit erfolgt eine direkte Elektronenaufnahme und -abgabe mittels der katalysierenden Biomasse, wodurch das üblicherweise sehr große Konzentrationsgefälle zwischen dem auf der mindestens einen Elektrode fixierten Biofilm und dem umgebenden Substrat verkleinert wird. Durch den Prozess katalysierenden sessilen Biofilm wird weniger Überschussschlamm produziert. Des Weiteren findet aufgrund des Verzichts der Einbringung von elementarem Sauerstoff als terminalen Elektronenakzeptor eine nochmalige Reduktion der Überschussschlammproduktion statt (vgl. Anaerob-Technik).According to an advantageous embodiment of the device according to the invention, the biofilm on the at least one anode and / or the at least one cathode is a sessile biofilm. Thus, there is a direct electron uptake and release by means of the catalyzing biomass, whereby the usually very large concentration gradient between the fixed on the at least one electrode biofilm and the surrounding substrate is reduced. Sessile biofilm catalyzing the process produces less excess sludge. Furthermore, due to the omission of the introduction of elemental oxygen as a terminal electron acceptor, a further reduction of excess sludge production takes place (see Anaerobic Technique).
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist an der mindestens einen Anode und/oder der mindestens einen Kathode für einen Elektronentransport ein elektrischer Leiter angeordnet. Durch diese Anordnung können die an der mindestens einen Anode aufgenommenen Elektronen bzw. die an der mindestens einen Kathode abgegebenen Elektronen dem Prozess ab- bzw. zugeführt werden. Somit besteht die Möglichkeit die an der mindestens einen Anode anfallenden Elektronen als erzeugten Strom anderweitigen Verbrauchern zuzuführen. Die Anordnung dient somit zusätzlich als Stromquelle.According to an additional advantageous embodiment of the device according to the invention, an electrical conductor is arranged on the at least one anode and / or the at least one cathode for electron transport. Through this Arrangement, the electrons picked up at the at least one anode or the electrons emitted at the at least one cathode can be removed or supplied to the process. Thus, it is possible to supply the electrons accumulating at the at least one anode to other consumers as a generated current. The arrangement thus additionally serves as a power source.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zwischen der mindestens einen Anode und der mindestens einen Kathode für einen Elektronentransport ein elektrischer Leiter angeordnet. Durch eine Kopplung der mindestens einen Anode und der mindestens einen Kathode können die an der mindestens einen Anode abgegebenen Elektronen direkt an die mindestens eine Kathode abgeführt werden. Somit ist ein externer Elektronendonator nicht notwendig.According to an additional advantageous embodiment of the device according to the invention, an electrical conductor is arranged between the at least one anode and the at least one cathode for electron transport. By coupling the at least one anode and the at least one cathode, the electrons released at the at least one anode can be dissipated directly to the at least one cathode. Thus, an external electron donor is not necessary.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung eine Stoffleitung für den Protonentransport zwischen der mindestens einen Anode und/oder der mindestens einen Kathode auf. Der Protonentransport erfolgt mit dem Substrat, der Elektronentransport über einen elektrischen Leiter. Das Verfahren ermöglicht es den beteiligten Redox-Partnern die Elektronen auf direktem Wege von Zelle zu Zelle abzugeben bzw. aufzunehmen. Dadurch wird vorteilhafterweise im Prozessablauf weniger bis keine Energie mehr für etwaige Zwischenschritte verbraucht. Es wird weniger Energie zur Aufrechterhaltung von Zellaktivität (Metabolismus) aufgewendet und es steht somit mehr Energie für andere Aufgaben oder sogar als Energieüberschuss zur Verfügung. Unter sonst gleichen Bedingungen kann das zur Verfügung stehende Potential des Substrats also effektiver genutzt werden bzw. der Wirkungsgrad unterliegt u. U. nicht mehr einer Beschränkung durch sonst mangelndes Substratangebot (Beispiel: C/N-Verhältnis).According to an additional advantageous embodiment of the device according to the invention, the device has a material line for the proton transport between the at least one anode and / or the at least one cathode. The proton transport takes place with the substrate, the electron transport via an electrical conductor. The method allows the involved redox partners to deliver electrons directly from cell to cell. As a result, advantageously less or no energy is consumed in the process flow for any intermediate steps. Less energy is spent on maintaining cell activity (metabolism), so there is more energy available for other tasks or even energy surplus. Under otherwise identical conditions, the available potential of the substrate can therefore be used more effectively or the efficiency is subject u. U. no longer a restriction by otherwise lack of substrate supply (example: C / N ratio).
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Stoffleitung für den Protonentransport eine Salzbrücke oder dgl.According to an additional advantageous embodiment of the device according to the invention, the material line for proton transport is a salt bridge or the like.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind mehrere Reaktoren vorhanden, die als Kaskade geschaltet sind. Die Anordnung von mehreren hintereinander geschalteten Reaktoren hat den Vorteil, dass das zu klärende Abwasser mit samt seiner Schmutzfracht in verschiedenen Stufen behandelt werden kann und somit alle einzelnen Reaktorstufen speziell auf die Schmutzfracht vorkonfiguriert werden können (Ausnutzung eines Konzentrationsgradienten).According to an additional advantageous embodiment of the device according to the invention several reactors are present, which are connected as a cascade. The arrangement of several reactors connected in series has the advantage that the wastewater to be clarified can be treated with its contaminant load in different stages and thus all individual reactor stages can be preconfigured specifically for the contaminated load (utilization of a concentration gradient).
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt ein Ausgleich des bioelektrochemischen Gleichgewichtes mittels externen Energieeingriffs. Somit kann das Gleichgewicht der Reaktion stets so eingestellt werden, dass die gewünschten Reaktionen bevorzugt ablaufen.According to an additional advantageous embodiment of the device according to the invention, a balance of the bioelectrochemical equilibrium takes place by means of external energy intervention. Thus, the equilibrium of the reaction can always be adjusted so that the desired reactions proceed preferentially.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bewirken die mindestens eine Anode und/oder die mindestens eine Kathode eine Durchmischung des mindestens einen Reaktors. Die mindestens eine Anode und/oder die mindestens eine Kathode sind hierbei als Rührwerk für den mindestens einen Reaktor ausgeführt. Die als Rührer ausgeführten Halbelemente können hierbei beispielsweise die Form eines Tauchkörpers, bzw. eines Anker-, eines Schrägblatt-, eines Blatt- oder eines Kreuzbalkenrührers annehmen. Darüber hinaus können auch für eine verbesserte Vermischung die im Stand der Technik bekannten Strömungsstörer eingesetzt werden. Durch das Rühren wird das Abwasser mit seiner Schmutzfracht stets ideal vermischt und die gewünschten Prozesse können optimal ablaufen.According to an additional advantageous embodiment of the device according to the invention, the at least one anode and / or the at least one cathode cause a mixing of the at least one reactor. The at least one anode and / or the at least one cathode are in this case designed as an agitator for the at least one reactor. The half elements embodied as stirrers may in this case, for example, take the form of an immersion body, or of an anchor, an inclined blade, a blade or a cross-bar stirrer. In addition, the flow baffles known in the prior art can also be used for improved mixing. By stirring, the wastewater is always ideally mixed with its pollution load and the desired processes can run optimally.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Vorrichtung durch eine Steuerung geregelt. Dies hat den Vorteil, dass der gesamte Prozess steuerungstechnisch überwacht und geregelt werden kann und somit immer die optimalen Prozessparameter vorherrschen.According to an additional advantageous embodiment of the device according to the invention, the device is controlled by a controller. This has the advantage that the entire process can be monitored and regulated in terms of control technology and thus always the optimum process parameters prevail.
Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Steuerung mittels Online-Messtechnik. Durch den Einsatz der Online- bzw. Inline-Messung sind stets die aktuellen Prozessparameter für die Prozesssteuerung verfügbar. Hierdurch wird der Prozess optimal regel- und steuerbar.According to a related advantageous embodiment of the device according to the invention, the control is carried out by means of online measurement technology. Through the use of online or inline measurement, the current process parameters for process control are always available. This makes the process optimally controllable.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung von organischen und/oder anorganischen Stoffen wässrigen und/oder gasförmigen Zustands mit wenigstens einem Zulauf und wenigstens einem Ablauf, wobei mittels des wenigstens einen Zulaufs Edukte zum mindestens einem Reaktor zugeführt werden und dort mittels mindestens einer Anode und/oder mindestens einer Kathode bioelektrochemisch umgewandelt werden, sind die mindestens eine Anode und/oder die mindestens eine Kathode einem wechselnden Milieu in einer Phase ausgesetzt. Vorteilhaft ist die Möglichkeit der räumlichen Trennung von Elektronendonator und -akzeptor, mit Einsparpotentialen bei etwaiger Rückführung oder mit zusätzlichen Freiheitsgraden bei der Einstellung der Milieubedingungen, bei der alleinigen Oxidation oder Reduktion, oder bei der Abreinigung zweier unterschiedlicher Stoffströme.According to an advantageous embodiment of the method according to the invention for the bioelectrochemical conversion of organic and / or inorganic substances aqueous and / or gaseous state with at least one inlet and at least one outlet, wherein by means of at least one feed educts are fed to at least one reactor and there by means of at least one Anode and / or at least one cathode are converted bioelectrochemically, the at least one anode and / or the at least one cathode are exposed to a changing environment in one phase. Advantageous is the possibility of the spatial separation of electron donor and acceptor, with potential savings in any feedback or with additional degrees of freedom in the setting of the environmental conditions, in the sole Oxidation or reduction, or during the purification of two different streams.
Hierbei unterliegt das Elektrodenmaterial keinem erhöhten Verschleiß durch Auslösung einzelner Elemente zur Katalyse von Reaktionen. Das Elektrodenmaterial muss dabei lediglich leitfähig sein und keine biologisch hemmende oder toxische Wirkung aufweisen. Als Elektrodenmaterialien kommen unter anderem Stahl, handelsüblicher V2A/V4A Edelstahl, hochwertige Legierungen, kohlenstoffdotierte Verbindungen, leitfähiger Kunststoff, Graphit, Kohle, leitfähige Textilien und andere künstliche Gebilde (Bsp. Vlies) in Frage. Je nach gewünschter Reaktion und vorhandenem Substrat kann dabei beispielsweise, aber nicht ausschließlich, anorganische oder organische Schmutzfracht umgewandelt werden. Beispielsweise bei der Abwasserreinigung oder der Biogasgewinnung. Es können dabei Prozessbedingungen geschaffen werden, die die anschließenden Überlagerungsreaktionen favorisieren, wie beispielsweise die Methanogenese oder die Acetogenese. Bei einer entsprechenden Einstellung des Milieus und gegebenenfalls des Substrats kann während des Prozesses auch elementarer Wasserstoff produziert werden. Da der Prozess prinzipiell lediglich eine Elektronenabgabe und -aufnahme ermöglicht, wird zudem auch anorganisches Substrat behandelbar. Hierzu darf das Substrat nicht hemmend oder toxisch sein. Ausreichend ist vielfach Substrat mit anorganischem Kohlenstoff zum Zellaufbau („Arche-Bakterien”, „autotrophe Bakterien”). Gegebenenfalls ist eine Korrektur des CO2-Wertes je nach Einsatzzweck notwendig, bzw. auch erwünscht. Gegebenenfalls ist eine Korrektur des pH-Wertes je nach Einsatzzweck notwendig.Here, the electrode material is not subject to increased wear by triggering individual elements to catalyze reactions. The electrode material must only be conductive and have no biologically inhibiting or toxic effect. As electrode materials are, inter alia, steel, commercial V2A / V4A stainless steel, high-quality alloys, carbon-doped compounds, conductive plastic, graphite, carbon, conductive textiles and other artificial structures (eg fleece) in question. Depending on the desired reaction and the substrate present, for example, but not exclusively, inorganic or organic contaminant load can be converted. For example, in wastewater treatment or biogas production. It can process conditions are created that favor the subsequent overlay reactions, such as methanogenesis or acetogenesis. With an appropriate adjustment of the environment and optionally of the substrate, elemental hydrogen can also be produced during the process. In principle, since the process only allows for electron donation and absorption, inorganic substrate can also be treated. For this, the substrate must not be inhibitory or toxic. Substrate with inorganic carbon is sufficient for cell structure ("Arche bacteria", "autotrophic bacteria"). Optionally, a correction of the CO 2 value depending on the purpose is necessary, or even desirable. If necessary, a correction of the pH value depending on the application is necessary.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die verwendete Vorrichtung zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.According to an additional advantageous embodiment of the method according to the invention, the device used for the bioelectrochemical conversion is a device according to one of
Aufgrund dieser Merkmale laufen in der Vorrichtung und im Verfahren zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung eines fest- oder gasförmigen Substrats an den dem Substrat ausgesetzten Elektrodenflächen der mikrobiellen Brennstoffzelle deutlich verbesserte Redox-Reaktionen ab.Because of these features, significantly improved redox reactions take place in the device and in the method for the bioelectrochemical conversion of a solid or gaseous substrate on the electrode surfaces of the microbial fuel cell exposed to the substrate.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.Further advantages and advantageous embodiments of the invention are the following description, the drawings and claims removed.
Zeichnungdrawing
Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gegenstands sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigenPreferred embodiments of the subject invention are illustrated in the drawings and will be explained in more detail below. Show it
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
In
Ein üblicherweise vorhandenes wässriges Milieu ist wahlweise anaerob, anoxisch oder aerob einstellbar. Ein möglicherweise gasförmiges Milieu an einer Elektrode ist bei mikrobieller Katalyse durch Wasser- oder Substratumspülung (vgl. Aufwuchskörper/Tropfkörper) durch teilweise getauchte Ausführung (vgl. Scheibentauchkörper oder statisches, halbgetauchtes System), bzw. durch Kultivierung bei hoher Luftfeuchte charakterisiert. Das gasförmige Milieu ist also bei mikrobieller Katalyse durch gleichzeitiges Vorhandensein von Wasser charakterisiert. Es ist wahlweise aerob oder anaerob einstellbar.A commonly present aqueous environment is optionally anaerobic, anoxic or aerobic adjustable. A possibly gaseous environment on an electrode is characterized in microbial catalysis by water or substrate rinsing (see growth body / trickling filter) by partially submerged execution (see disc submersible or static, semi-submersed system), or by cultivation at high humidity. The gaseous environment is therefore characterized in microbial catalysis by the simultaneous presence of water. It is either aerobic or anaerobic adjustable.
Eine zusätzliche Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in
Das Verfahren zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung funktioniert wie im Folgenden näher erläutert. In mindestens einem Reaktor
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- Anodeanode
- 33
- Kathodecathode
- 44
- Elektrodenflächenelectrode surfaces
- 55
- ZulaufIntake
- 66
- Reaktorreactor
- 77
- Stoffleitungfuel line
- 88th
- Reaktorreactor
- 99
- Ablaufprocedure
- 1010
- Zellspannungcell voltage
- 1111
- Zellstromcell current
- 1212
- elektrische Leitungelectrical line
- 1313
- Reaktorreactor
- 1414
- ZulaufIntake
- 1515
- Ablaufprocedure
- 1616
- elektrische Leitungelectrical line
- 1717
- Reaktorreactor
- 1818
- Reaktorreactor
- 1919
- ZulaufIntake
- 2020
- ZulaufIntake
- 2121
- Ablaufprocedure
- 2222
- Ablaufprocedure
- 2323
- elektrische Leitungelectrical line
- 2424
- Stoffleitungfuel line
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- AT 81109 E [0002] AT 81109 E [0002]
- DD 244743 A1 [0003] DD 244743 A1 [0003]
- WO 2011/006939 [0005] WO 2011/006939 [0005]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- „Römpp-Lexikon; Biotechnologie aerobe Abwasserbehandlung [0006] "Römpp-Lexikon; Biotechnology aerobic wastewater treatment [0006]
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