DE102015012436A1

DE102015012436A1 - Biokonverter zur Herstellung von Pflanzenkohle und deren Nutzung als Additiv in einem Biogasprozess

Info

Publication number: DE102015012436A1
Application number: DE102015012436.6A
Authority: DE
Inventors: Carl-Albrecht Benker; Dr. Luthe Gregor
Original assignee: Cab Consulting GmbH; Windplussonne GmbH
Current assignee: Cab Consulting GmbH; Windplussonne GmbH
Priority date: 2015-09-27
Filing date: 2015-09-27
Publication date: 2017-03-30

Abstract

Biokonverter und Konvertierungsverfahren, die mithilfe von pyrogenem Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffnanopartikeln, Kohlenstoffmikropartikeln und/oder Kohlenstoffmakropartikeln und/oder mit einer Wandbekleidung, umfassend fixierte Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel, bezüglich des pyrogenen Kohlenstoffs verlustfrei oder nahezu verlustfrei das Wachstum von Mikroorganismen und/oder die Steigerung des Metabolismus und/oder Katabolismus und/oder Anabolismus fördern und/oder zur Steigerung des Ertrages verschiedener Produkte beitragen; Verfahren zur Optimierung der Pflanzenkohle, bei dem die Pflanzenkohle funktionalisiert, oberflächenmodifiziert, eingesumpft, eingesumpft und getrocknet, getrocknet, getrocknet und angefeuchtet sowie eingesumpft und teilgetrocknet wird, und Verwendung des Effluents des Biokonverters als Wertprodukt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuen Biokonverter zur Herstellung von Pflanzenkohle.
Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung neue Verfahren zur Wachstumsförderung von Mikroorganismen und/oder zur Steigerung des Metabolismus und/oder Katabolismus und/oder Anabolismus und/oder zur Steigerung des Ertrages verschiedener Produkte und/oder zum Schutz der Betonwände in Biokonvertern.
Stand der Technik
Der in der vorliegenden Anmeldung zitierte Stand der Technik wird durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung.
Um Methangase zu gewinnen, wird Biomasse in Biogasanlagen anaerob fermentiert. Unter dem Begriff »Fermentierung« oder »Fermentation« wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Umsetzung von biologischen, insbesondere organischen Materialien mit Hilfe von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze und/oder anderen Zellkulturen) verstanden. Eine Fermentation kann aber auch durch den Zusatz von stoffwechselaktiven Enzymen oder anderen biologisch aktiven Molekülen erfolgen, wie zum Beispiel Nährstoffsubstrate der Mikroorganismen. Die Fermentation kann sowohl aerobe Vorgänge, z. B. Essigsäuregärung, als auch anaerobe Vorgänge, z. B. Milchsäuregärung, einschließen.
Der daraus resultierende Abfall wird, aufgrund seine hohen Schwermetallgehaltes, meist als Sondermüll abgefahren und kann häufig nicht als Düngemittel wiederverwendet werden. Selten wird er durch Aufbereitung zu Düngemittel verarbeitet.
Um einen deutlichen Mehrertrag an Methan zu gewinnen, wird Pflanzenkohle dem Prozess hinzugefügt. Hier kann innerhalb von 91 Tagen ein Mehrertrag von 24% erreicht werden.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 102011/087635 A1 geht ein Verfahren zur Herstellung bodenverbessernder Substrate durch Aufbereitung von aus Biogasanlagen gewonnenen Gärresten hervor. Dabei werden die Gärreste oder der flüssige Anteil der Gärreste mit zumindest einer Magnesiumionenquelle, zumindest einer Phosphationen- und/oder Hydrogenphosphationenquelle sowie vorzugsweise einer Kohlenstoffquelle vermengt oder in Kontakt gebracht. Anschließend wird den vorliegenden Substraten gegebenenfalls das Wasser ganz oder teilweise entzogen.
Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 202014/004445 U1 geht eine Vorrichtung zur Herstellung von Pflanzenkohle und Gewinnung von Wärme hervor. Die Vorrichtung weist eine motorisierte Brennstofffördereinrichtung zum Fördern von Biomassebrennstoff in einen Brenner zum Verkohlen des geförderten Biomassenbrennstoffes in dem Brenner zu Pflanzenkohle und Verbrennen der frei werdenden flüchtigen Stoffe zu Wärmegewinnung. Außerdem weist die Vorrichtung eine Pflanzenkohlefördereinrichtung zum Abführen der in dem Brenner erzeugten Pflanzenkohle aus dem Brenner.
Aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2015/027179 (A1) geht die Verwendung von getrockneten Gärresten zur Weiterverarbeitung in einem Pyrolyse-System um Biokohle und Synthesegas zu erzeugen, hervor.
Aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2015/175462 geht die Förderung des Mehrertrages von Biogas mit Pankreatin hervor. Dies geschieht durch Fermentierung. Die Hydrolyse wird ebenfalls verbessert.
Aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2015/125921 (A1) gehen die Methoden für Biogasanlagen, insbesondere für Thermo-Biogasanlagen hervor. Diese zerstören umweltschädliche Materialien, wie zum Beispiel Antibiotika.
Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2015/122688 (A1) gehen ein System und eine Methode für die Produktion von Biokohle hervor. Hier wird das System beschrieben. Es gibt einen vorgeheizten Tank, in dem wasserhaltige organische Ausgangsstoffe erhitzt werden und einen Reaktor, wo die hydrothermische Verkohlung stattfindet.
In ihrem Artikel »Steigerung des Biogasertrages durch die Zugabe von Pflanzenkohle« in Müll und Abfall, 2014, Seiten 476 bis 480, beschreiben Dipl. Wi.-Ing. Jan-Markus Rödger, M. Eng.-M. Sc. Waldemar Ganagin, Dipl.-Ing.agr. Andreas Krieg, B. SC. Christian Roth und Prof. Dr.-Ing. Achim Loewen die Steigerung des Biogasertrages durch die Zugabe von Pflanzenkohle. In diesem Artikel wird deutlich, dass durch das Hinzufügen von großen Kohlepartikeln in den Nachgärer der Mehrertrag von Methangase innerhalb von 91 Tagen um 24% gestiegen ist.
Diesem Stand der Technik kann der Fachmann aber keine Anregungen und Hinweise entnehmen, die die Verwendung von Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel zur Wachstumsförderung von Mikroorganismen und/oder zur Steigerung des Metabolismus und/oder Katabolismus und/oder Anabolismus und/oder zur Steigerung des Ertrages verschiedener Produkte und/oder Schutz der Beton-Wände in Konvertern nahe legen, wenn die Kohle als Bett und/oder statisches Material, welches sich im Stoffstrom langsamer verbraucht, eingebracht wird.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung lag der Aufgabe zu Grunde, das Wachstum von Mikroorganismen und/oder ihr Metabolismus und/oder Katabolismus und/oder Anabolismus in Biokonvertern zu steigern.
Des Weiteren soll die vorliegende Erfindung zur Steigerung des Ertrages verschiedener Produkte eingesetzt werden können und/oder die Betonwände des Konverters schützen können.
Erfindungsgemäße Lösung
Demgemäß wurde der Biokonverter gefunden, der mithilfe von pyrogenem Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffnanopartikeln, Kohlenstoffmikropartikeln und/oder Kohlenstoffmakropartikeln und/oder mit einer Wandbekleidung, umfassend fixierte Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel, bezüglich des pyrogenen Kohlenstoffs verlustfrei oder nahezu verlustfrei das Wachstum von Mikroorganismen und/oder die Steigerung des Metabolismus und/oder Katabolismus und/oder Anabolismus fördert und/oder zur Steigerung des Ertrages verschiedener Produkte beiträgt.
Im Folgenden wird der Biokonverter als »erfindungsgemäßer Biokonverter« bezeichnet Außerdem wurde das Verfahren gefunden, das mithilfe von pyrogenem Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffnanopartikeln, Kohlenstoffmikropartikeln und/oder Kohlenstoffmakropartikeln und/oder mithilfe der Wandbekleidung des erfindungsgemäßen Biokonverter, umfassend Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel, bezüglich des pyrogenen Kohlenstoffs verlustfrei oder nahezu verlustfrei das Wachstum von Mikroorganismen und/oder die Steigerung des Metabolismus und/oder Katabolismus und/oder Anabolismus fördert und/oder zur Steigerung des Ertrages verschiedener Produkte beiträgt.
Im Folgenden wird das Verfahren als »erfindungsgemäßes Konvertierungsverfahren« bezeichnet.
Nicht zuletzt wurde ein Verfahren zur Optimierung der Pflanzenkohle gefunden, bei dem die Pflanzenkohle funktionalisiert, oberflächenmodifiziert, eingesumpft, eingesumpft und getrocknet, getrocknet, getrocknet und angefeuchtet sowie eingesumpft und teilgetrocknet wird.
Im Folgenden wird das Verfahren zur Optimierung der Pflanzenkohle als »erfindungsgemäßes Optimierungsverfahren« bezeichnet.
Vorteile der Erfindung
Im Hinblick auf den Stand der Technik war es überraschend und für den Fachmann nicht vorhersehbar, dass die Aufgabe die der vorliegenden Erfindung zu Grunde lag mithilfe des erfindungsgemäßen Biokonverters, des erfindungsgemäßen Konvertierungsverfahrens und des erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens gelöst werden konnte.
Insbesondere überraschte es, dass der Gesamtprozess
»Biokonversion – Herstellung von Pflanzenkohle – Nutzung der Pflanzenkohle in einem Biogasprozess«
besonders ökonomisch und ökologisch ausgestaltet werden konnte.
Überraschenderweise konnte durch den erfindungsgemäßen Biokonverter, das erfindungsgemäße Konvertierungsverfahren und das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren das Wachstum von Mikroorganismen und/oder die Steigerung des Metabolismus und/oder Katabolismus und/oder Anabolismus gesteigert und/oder die Steigerung des Ertrages verschiedener Produkte erzielt werden und/oder der Schutz der Betonwände des erfindungsgemäßen Biokonverters und – überraschenderweise – auch der Schutz der Wände anderer Reaktoren erreicht werden.
Außerdem konnten die zu verwendenden Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel, in jeglicher Größe, Form, Kombination und/oder Behältnis nur einmal und/oder durchgehend und/oder in verschiedenen Abständen im Prozess und/oder bei der Neubestückung hinzugefügt werden.
Die Einbringung der Kohle in die erfindungsgemäßen Biokonverter konnte auf verschiedene Weisen geschehen. Sie konnten auf Trägermaterialien wie Drähte, Gewebe, Gitter, Hohlraumstrukturen, Körbe, Bretter, Papiere, papierähnliche Materialien, Metallen und/oder Steinen, Wirbelschichtbetten eingebracht werden.
Durch die Einbringung von großen Kohlestücken, konnte aktiver und/oder passiver Abrieb, Abtrag und/oder Erosion geschehen. Dies hatte den Vorteil, dass die Kohle sich langsamer zersetzte als die Biomasse.
Durch die Einbringung der Kohlepartikel an die Betonwände mittels Klebstoffe, wurden die Wände des erfindungsgemäßen Biokonverters – und überraschenderweise – auch anderer Reaktoren geschützt und gleichzeitig begünstigte die Kohle das erfindungsgemäße Konvertierungsverfahren.
Die Zurückgewinnung der Pflanzenkohle geschah nicht mehr durch die Teilnahme am Stoffstrom. Dadurch resultiert ein längeres Verbleiben der Pflanzenkohle im erfindungsgemäßen Konvertierungsverfahren, wodurch auch die Mikroorganismen, die durch Animpfung eingebracht worden waren, eine längere Verweilzeit aufwiesen.
Vor und/oder während des erfindungsgemäßen Konvertierungsverfahrens konnte die Pflanzenkohle mit Spurenelemente/Mikroelemente, Ultraelemente, Mengenelemente, Nährstoffe, essentielle Nährstoffe, Kohlenhydrate, Fette, Proteine, Mineralstoffe, Vitamine und/oder Wasser und/oder Schwebeteilchen und/oder anderen Komponenten beladen werden.
Die Spurenelemente/Mikroelemente, Ultraelemente, Mengenelemente, Nährstoffe, essentielle Nährstoffe, Kohlenhydrate, Fette, Proteine, Mineralstoffe, Vitamine und/oder Wasser und/oder Schwebeteilchen und/oder anderen Komponenten konnten ebenfalls an der Oberfläche der Pflanzenkohle abgebracht werden, so dass keine Animpfung durch Erstbesiedlung notwendig war
Durch das Prinzip der Oberflächenvergrößerung konnte der erfindungsgemäße Biokonverter kleiner dimensioniert werden und brachte trotz alldem die gleiche Leistung.
Durch die Verkleinerung des erfindungsgemäßen Biokonverters konnte die Konzentration der organischen Zielkomponenten vergrößert werden.
Des Weiteren überraschte, dass die Hydrophilie der erfindungsgemäß zu verwendenden Materialien durch Superabsorber und/oder Tonmineralien, beispielsweise Nanoclay, verstärkt werden konnte.
Insbesondere überraschte, dass sich dadurch die in den erfindungsgemäß zu verwendenden Materialien befindlichen Schwermetalle binden lassen und somit das Effluent niedrige Schwermetallwerte aufwiesen. Dadurch konnte das entgiftete Effluent wieder mit frischen erfindungsgemäß zu Materialien angereichert und wieder als Wertprodukte wie Dünger verwendet werden.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Ausgangsmaterialien für die Wachstumsförderung von Mikroorganismen und/oder die Steigerung des Metabolismus und/oder Katabolismus und/oder Anabolismus und/oder die Steigerung des Ertrages verschiedener Produkte und/oder Schutz der Betonwände in Konvertern, sind partikulärer Kohlenstoff und organische Biomasse.
Der erfindungsgemäße wesentlich Bestandteil ist pyrogener Kohlenstoff, der als Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel oder in Kombinationen vorliegt. Dabei haben die Kohlenstoffnanopartikel eine mittlere Teilchengröße d₅₀ von 1 nm bis < 1000 nm, die Kohlenstoffmikropartikel eine mittlere Teilchengröße d₅₀ von ≥ 1000 nm bis < 1000 μm und die Kohlenstoffmakropartikel eine mittlere Teilchengröße d₅₀ von ≥ 1000 μm.
Der pyrogene Kohlenstoff kann beispielsweise in Form von Holzkohle und/oder deren Siebrückständen und/oder Holzasche, Aktivkohle, Steinkohle, Tierkohle, Tierabfallkohle, pyrogener Kohlenstoff unterschiedlichen Pyrolysegrades, funktionalisierte Kohle, vorbehandelte Kohle, gewaschene Kohle und/oder extrahierte Kohle eingebracht werden und/oder durch einen Pyrolyseprozess in einer mobilen oder stationären Pyrolyseanlage aus vorwiegend ligninreichen, organischen Materialien, wie Holz, Pflanzenstängeln, Obstkernen, Nussschale und/oder Knochen gewonnen werden. Knochen haben den Vorteil, dass sie besonders phosphorhaltig sind.
Vorzugsweise wird der Pyrolyseprozess unter Sauerstoffabschluss bei etwa 100 bis 1000°C betrieben. Der Fachmann versteht es jedoch, die entsprechenden Pyrolysebedingungen an die jeweilige Gegebenheiten, wie die Art der Pyrolyseanlage, dem Umgebungsdruck und/oder der Menge der Art und Beschaffenheit des Pyrolysegutes anzupassen.
Zur Herstellung des pyrogenen Kohlenstoffs kann in einer bevorzugten Ausführungsform das Pyrolysematerial zuvor zerschnitten und/oder zerkleinert und/oder zu Presslingen gepresst werden. Diese haben den Vorteil, dass der Pyrolyseprozess besser kontrollierbar ist und ein homogenes Pyrolyseprodukt geliefert wird, dass die anschließende Weiterverarbeitung begünstigt. Ansonsten müsste für den Erhalt von pyrogenem Kohlenstoff das Pyrolysematerial z. B nach Rinden, Gräsern, Holz oder Knochen entsprechend der Beschaffenheit zunächst getrennt werden, bevor es dem jeweiligen Pyrolyseprozess zugeführt wird.
Neben dem pyrogenen Kohlenstoff entstehen bei dem Pyrolyseprozess weitere nutzbare Produkte, wie Öl, Holzteer und/oder Gas, die beispielsweise zur Strom-, Wärme- und/oder Kälteproduktion eingesetzt werden können. Dadurch sind diese Nebenprodukte für eine sinnvolle Nutzung, zum Beispiel zur Energiegewinnung, verwertbar und im Sinne der Erfindung für die Nutzung von Biokonvertern einsetzbar.
Bei einem bevorzugten Pyrolyseverfahren zur Herstellung von pyrogenem Kohlenstoff wird fein zerkleinertes Holz auch mit Blattmasse in einer Miete aufgesetzt, verdichtet, bewässert und weitgehend luftdicht z. B. mit Erde abgedichtet. Alternativ kann das Verfahren auch mit Fahrsilos und/oder in speziellen Behältnissen durchgeführt werden. nach einiger Zeit setzt ein thermischer Rotteffekt ein, bei dem im inneren Temperaturen bis zu 80°C entstehen. Als Hauptprodukt entsteht pyrogener Kohlenstoff, der in jeglicher Form in Konvertern einsetzbar ist. Bei dem Pyrolyseprozess kann auch ferner über einfache Wärmeaustauscher heißes Wasser mit einer Temperatur von etwa 60°C gewonnen werden. Es entsteht ebenfalls Leichtgas, dass zur Energiegewinnung genutzt werden kann.
Dem Fachmann sind neben der Pyrolyse auch weitere Verfahren zur Herstellung von pyrogenem Kohlenstoff bekannt. Als Beispiel sei das Verfahren der hydrothermalen Karbonisierung genannt.
Der durch diverse Verfahren hergestellte pyrogene Kohlenstoff weist intramolekulare Kohlenstoffstrukturen auf, die z. B. durch die Pyrolysebedingungen beeinflusst werden können. Dadurch können die Eigenschaften des, für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten, pyrogenen Kohlenstoffs im Hinblick auf eine hohe Nährstoff- und Wasserspeicherkapazität angepasst werden.
Des Weiteren kann der erfindungsgemäß zu verwendende Kohlenstoff funktionalisiert, oberflächenmodifiziert, eingesumpft, eingesumpft und getrocknet, getrocknet, getrocknet und angefeuchtet sowie eingesumpft und teilgetrocknet sein.
Vorzugsweise sind die Materialien für die Funktionalisierungen und Oberflächenmodifizierung Polysaccharide und Biopolymere, wie Lignin und Stärke, Clays, Mineralien und/oder Superabsorber.
Die Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel können die unterschiedlichsten Morphologien und geometrischen Formen aufweisen, sodass diese hervorragend den anderen Bestandteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst werden können.
So können sie kompakt sein, sowie mindesten ein Hohlraum und/oder eine Kern-Schale-Struktur aufweisen. Außerdem können diese Hohlräume auch unterschiedlich groß sein. Sie können auch unterschiedliche geometrische Formen, wie Kugeln, Ellipsoide, Würfel, Quader, Pyramiden, Kegel, Zylinder, Rhomben, Dodekaeder, abgestumpfte Dodekaeder, Ikosaeder, abgestumpfte Ikosaeder, Mäander, Fraktale, Hanteln, Tori, Plättchen, oder Nadeln mit kreisförmigen, ovalen, elliptischen, quadratischen, dreieckigen, viereckigen, fünfeckigen, sechseckigen, siebeneckigen, achteckigen oder sternenförmigen (drei-, vier-, fünf-, oder mehrzackig) Umriss haben. Dabei können gegebenenfalls vorhandene Kanten und Ecken abgerundet sein. Es können sich auch zwei oder mehr Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel unterschiedlicher Morphologie und/oder geometrischer Form zusammenlagern. Beispielsweise können kugelförmige Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel spitze Auswüchse in Kegelform haben. Des Weiteren kann ihre Oberfläche Vertiefungen aufweisen, sodass die Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel eine erdbeer- oder himbeerförmige Morphologie haben. Nicht zuletzt können die Hantel, Tori, Nadeln oder Plättchen in mindestens einer Richtung des Raumes gebogen sein. Sie können in jeglicher Form frei wählbar sein.
Der Durchmesser der Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel kann sehr breit variieren und daher hervorragend dem jeweiligen Verwendungszweck des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst werden.
Die verwendeten Mengen an Kohlenstoff, insbesondere pyrogener Kohlenstoff, können sehr breit variieren und richten sich hauptsächlich nach der Größe des jeweiligen erfindungsgemäßen Behälters und/oder Oberfläche und nach der Menge der Biomasse. Vorzugsweise liegen die verwendeten Mengen bei 0,1 bis 95 Gew.-%, bevorzugt 0,5 bis 75 Gew.-% und insbesondere 1 bis 50 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmenge aus erfindungsgemäßen Behältern und/oder Oberflächen, Biomassen und partikulärem Kohlenstoff.
Die Erfindung umfasst ebenfalls eine geeignete Auswahl der Grund- und Ausgangsstoffe für die Wachstumsförderung von Mikroorganismen und/oder die Steigerung des Metabolismus und/oder Katabolismus und/oder Anabolismus und/oder die Steigerung des Ertrages verschiedener Produkte und/oder Schutz der Betonwände in Konvertern. Dazu gehören z. B organische Siedlungsabfälle, organische Abfälle aus der Industrie, Gewerbe, Land- und Forstwirtschaft sowie Gartenbau und die in Verbindungen mit den erfindungsgemäßen Verfahren zu einem vollständigen Kreislaufwirtschaftssystem führen. Ferner umfasst sind die Entwicklung, Konzeption, Planung und Umsetzung von neuen, nachhaltigen Biokonvertern, die erst durch die erfindungsgemäße Technologie ermöglicht werden.
Um die verschiedenen Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens zu bezeichnen, werden folgende Bezeichnungen eingeführt. Das übliche, kontinuierliche Verfahren wird als »erfindungsgemäßes kontinuierliches Verfahren initial« bezeichnet. Das kontinuierliche Verfahren initial wird ausgeführt durch den anaeroben Abbau von Biomasse. Dies ist meistens eine Nassfermentation wo unter anderem auch Gülle und andere Biomasse in Wasser verarbeitet werden. Dem Prozess wird in regelmäßigen Abständen, meist mehrmals täglich, Biomasse zugeführt und Biogas und weitere Produkte werden entnommen. Neben der Nassfermentation gibt es auch die Trockenfermentation. Hier wird die Biomasse gestapelt. Außerdem wird das Gärgut weder verflüssigt noch erfolgt eine ständige Durchmischung während der Fermentierung.
Das übliche Batch-Verfahren wird als »erfindungsgemäßes Batch-Verfahren initial« bezeichnet. Das erfindungsgemäße Batch-Verfahren initial wird ausgeführt durch den anaeroben Abbau von Biomasse. Dies ist meistens eine Trockenfermentation. Dies geschieht, wenn der Trockengehalt der organischen Biomasse sehr hoch ist und/oder wenn die Biomasse sehr faserig ist, beispielsweise bei Biomüll, Hausmüll und Grünabschnitten. Für jede Charge wird erst die Biogasproduktion und andere Produkte abgeschlossen und der Fermenter entleert. Danach wird wieder ein neuer Batch angesetzt.
Für die vorliegende Erfindung ist es wesentlich, dass in den erfindungsgemäßen Verfahren Batch- und kontinuierliche Verfahren initial, mindestens eins der erfindungsgemäßen Verfahren angewandt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Wachstumsförderung von Mikroorganismen und/oder zur Steigerung des Metabolismus und/oder Katabolismus und/oder Anabolismus und/oder zur Steigerung des Ertrages verschiedener Produkte und/oder Schutz der Betonwände in Konvertern wird der pyrogene Kohlenstoff zu einem anaerob verlaufenden Fermentationsprozess, bei dem eine Fermentation eines organischen Biomassengemisches mittels Mikroorganismen (z. B. Bakterien, Pilze, Pilzsporen, Algen etc.) stattfindet, zugesetzt. Dabei befinden sich die Spurenelemente/Mikroelemente, Ultraelemente, Mengenelemente, Nährstoffe, essentielle Nährstoffe, Kohlenhydrate, Fette, Proteine, Mineralstoffe, Vitamine und/oder Wasser, in dem partikulären Kohlenstoff.
Unter dem Begriff »Fermentierung« oder »Fermentation« wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Umsetzung von biologischen, insbesondere organischen Materialien mit Hilfe von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze und/oder anderen Zellkulturen) verstanden. Eine Fermentation kann aber auch durch den Zusatz von stoffwechselaktiven Enzymen oder anderen biologisch aktiven Molekülen erfolgen, wie zum Beispiel Nährstoffsubstrate der Mikroorganismen. Die Fermentation kann sowohl aerobe Vorgänge, z. B. Essigsäuregärung, als auch anaerobe Vorgänge, z. B. Milchsäuregärung, einschließen.
Der Fermentationsprozess kann in Behältern und/oder Anlagen stattfinden. Der Fermentationsprozess kann spontan mit den in der Biomasse natürlicherweise vorhandenen Mikroorganismen ablaufen. Alternativ können zur kontrollierten Steuerung des Prozesses und der Wachstumsförderung von Mikroorganismen und/oder die Steigerung des Metabolismus und/oder Katabolismus und/oder Anabolismus und/oder die Steigerung des Ertrages verschiedener Produkte und/oder Schutz der Betonwände in Konvertern, pyrogener Kohlenstoff hinzugefügt werden.
Weitere Beispiele für die Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind neben den Batch Verfahren initial und dem kontinuierlichem Verfahren initial, Prozesse in Reaktoren, Strömungsrohren und/oder in idealen Strömungsrohren und/oder Wirbelschichtreaktoren.
Die Grundlage der Entstehung von Fermentationsgasen und andere Produkte ist der anaerobe Abbau von Biomasse. Es werden von den Mikroorganismen fast alle organischen Stoffe abgebaut. Schwer abzubauende Stoffe sind unter anderem Cellulose und verholzte Anteile aus Lignocellulose. Um eine Stoffumsetzung zu erhalten ist der hohe Wassergehalt im Gärsubstrat entscheidend. Da in vielen Anlagen die Biomassenzufuhr regelmäßig stattfindet, finden die vier Phasen des Abbauprozesses parallel statt. Zu den vier Phasen gehört die Hydrolyse, hier werden die polymeren Makromoleküle von den Mikroorganismen hydrolysiert. In der zweiten Phase werden die hydrolysierten Produkte durch säurebildende Mikroorganismen metabolisiert und es bilden sich wiederum Produkte, unter anderem niedere Fett- und andere Carbonsäuren. Diese werden im dritten Schritt in Acetat umgesetzt. In der letzten und vierten Phase, diese läuft ausschließlich anaerob ab, wird die Essigsäure durch entsprechende acetoklastische Methanbinder in Methan umgewandelt. Die Kohle optimiert alle oben genannten Phasen und Prozesse.
Um den Ertrag von Methan und/oder andere Stoffe zu maximieren gibt es einen weiteren Prozessschritt. Hierbei wird in dem Nachgärer große Kohlepartikel hinzugefügt. Durch dieses Hinzufügen konnte ein Mehrertrag von Methan um 24% über insgesamt 91 Tagen erzeugt werden. Dies wird im weiteren Verlauf als »optimisiertes, kontinuierliches Verfahren« bezeichnet.
Um die Wachstumsförderung von Mikroorganismen und/oder zur Steigerung des Metabolismus und/oder Katabolismus und/oder Anabolismus und/oder zur Steigerung des Ertrages verschiedener Produkte zu erzielen und/oder Schutz der Betonwände in Konvertern, ist es notwendig den Prozess in Biokonvertern zu optimieren. Hierfür sind verschieden Schritte und/oder Möglichkeiten notwendig, die noch einmal zur weiteren Optimierung des Verfahrens beitragen.
Der Kohlenstoff, insbesondere der pyrogene Kohlenstoff, kann in unterschiedlicher Art und Weise in den erfindungsgemäßen Verfahren eingebracht und/oder an den erfindungsgemäßen Behältnissen und/oder Oberflächen angebracht werden, sodass der Kohlenstoff sicher verwahrt werden kann, aber in einfachere Weise für die Fermentation zur Verfügung gestellt werden kann.
Die Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel, die funktionalisiert, oberflächenmodifiziert, eingesumpft, eingesumpft und getrocknet, getrocknet, getrocknet und angefeuchtet sowie eingesumpft und teilgetrocknet sind, werden in geeigneten Behältnissen und/oder Oberflächen zu den Batch- und kontinuierliche Verfahren initial hinzugefügt.
Beispiele geeigneter Behälter sind Beutel, Säcke, Eimer, Dosen, Schachteln, Briefkuverts und Kartonagen. Diese können aus verschiedenen Materialien bestehen, wie z. B. Papier, papierähnliche Materialien, Textil, Metall und/oder jegliche Kombination hiervon.
Bevorzugt sind es Beutel wie Tüten, Druckverschlussbeutel, Gefrierbeutel, Müllbeutel, Allzweckbeutel, Stoffbeutel, Einkaufsbeutel, Einkaufsnetze, luftdurchlässige Beutel für die Lagerung von Lebensmitteln sowie Staubsaugerbeutel.
Bevorzugt sind außerdem Ventilsäcke, Kreuzbodensäcke, Klotzbodensäcke, Pinchsäcke, Flachsäcke, Faltensäcke und/oder anderen Netzen.
Die Beutel und/oder Säcke und/oder Flächen und/oder Drähte und/oder Kombinationen von diesen können auf unterschiedlichster Weise in die Batch- und kontinuierliche Verfahren initial eingebracht werden. Sie können am Boden, den Seitenwänden, von den Seitenwänden abgesetzt, mitten im Konverter und/oder an Rührern platziert werden und an Systemen, wie Trägermaterialien, wie Gardinen, Gittern, Hölzern und/oder an beliebige Körper eingebracht werden und/oder die oberflächlich belegt sind.
Des Weiteren ist es möglich, Gerüste direkt aus Klebstoffen, beispielsweise Lignin, und partikulärem Kohlenstoff zu bauen. Dies hat den Vorteil, dass in diesen Kohlebehältnissen wiederum Kohle in den Prozess gegeben werden kann.
Eine weitere Möglichkeit, partikulären Kohlenstoff in den Prozess einzubringen, ist die Verkohlung eines Holzbrettes/-stücks und/oder Pressling und/oder jede andere Möglichkeit. Dieses wird dann komplett in den Prozess eingebracht und kann so passiv und aktiv abgerieben und/oder abgetragen werden, oder durch Erosion abgenutzt werden. Auf diesem kann wiederum partikulärer Kohlenstoff mittels Klebstoffe aufgebracht werden.
Die Beutel und/oder Säcke und/oder die oben genannten Systeme können verschiedene Größen und Formen haben und/oder verschiedene Oberflächenstrukturierungen haben. Des Weiteren können die Systeme und/oder Beutel und/oder Säcke dicht, semipermeabel, durchlässig sein und/oder eine semipermeable Membran haben. Sie können fest und/oder bewegend im Konverter platziert werden.
Die vorstehenden Beispiele der Einbringung und Systeme, sind nur beispielhaft und nicht abschließend aufgezählt. Die Aufzählung soll demnach die Vielfalt der Möglichkeiten verdeutlichen, und der Fachmann kann aufgrund seines allgemeinen Fachwissens ohne Weiteres, weiter Möglichkeiten angeben.
Des Weiteren können die Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel, die funktionalisiert, oberflächenmodifiziert, eingesumpft, eingesumpft und getrocknet, getrocknet, getrocknet und angefeuchtet sowie eingesumpft und teilgetrocknet sind, durch Lösungen und/oder Kleber an die Wände und/oder anderen Strukturen des Konverters gespritzt, gestrichen und/oder gedruckt werden.
Weitere Möglichkeiten wären die Anbringung durch spritzen, streichen, und/oder drucken der Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel, die funktionalisiert, oberflächenmodifiziert, eingesumpft, eingesumpft und getrocknet, getrocknet, getrocknet und angefeuchtet sowie eingesumpft und teilgetrocknet sind, auf Faltungen und Verbiegungen. Dadurch wird eine Oberflächenvergrößerung vorgenommen.
Die oben beschriebenen Lösungen und/oder Kleber sind hier aufgelistet:

– Biopolymere,
– Polysaccharide,
– Chemisch härtende Klebstoffe,
– Polymerisationsklebstoffe,
– Cyanacrylat-Klebstoffe (Sekundenkleber),
– Methylmethacryl-Klebstoffe,
– Anaerob härtende Klebstoffe,
– Ungesättigte Polyester (UP Harze),
– Strahlenhärtende Klebstoffe,
– Polykondensationsklebstoffe,
– Lignin-Klebstoffe,
– Phenol-Formaldehydharz-Klebstoffe,
– Silikon-Silan-vernetzte Polymerklebstoffe,
– Polyimidklebstoffe,
– Polysulfidklebstoffe,
– Polyadditionsklebstoffe,
– Expoxidharz-Klebstoffe,
– Polyurethan Klebstoffe,
– Silikon-Polyisocyanat Klebstoffe,
– physikalisch abbindende Klebstoffe,
– Lösemittelhaltige Klebstoffe,
– Kontaktklebstoffe,
– Dispersionsklebstoffe,
– Plastisole,
– Klebstoffe ohne Verfestigungsmechanismus,
– Haftklebestoffe,
– Zement,
– zementbasierte Klebstoffe,
– Schaumbeton,
– Gipsbasierte Klebstoffe
– Wasserglas,
– Kalk und Löschkalk und hierauf basierte Klebstoffe.

Die vorstehenden Klebstoffe können teiloffene Strukturen aufweisen, sie können durch Punktverbindungen zusammenhalten, sie können umhüllt, teilumhüllt, nicht umhüllt, auf einen Hintergrund geklebt sein und/oder einen Backbone haben. Sie können außerdem mit Härtern und/oder Fließmitteln versetzt sein.
Die vorstehenden Klebstoffe für die Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel, die funktionalisiert, oberflächenmodifiziert, eingesumpft, eingesumpft und getrocknet, getrocknet, getrocknet und angefeuchtet sowie eingesumpft und teilgetrocknet sind, sind nur beispielhaft und nicht abschließend aufgezählt. Die Aufzählung soll demnach die Vielfalt der Möglichkeiten verdeutlichen, und der Fachmann kann aufgrund seines allgemeinen Fachwissens ohne Weiteres, weiter Möglichkeiten angeben.
Bevorzugt werden biologisch abbaubare und/oder organische Kleber und Lösungen.
Die Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel, die funktionalisiert, oberflächenmodifiziert, eingesumpft, eingesumpft und getrocknet, getrocknet, getrocknet und angefeuchtet sowie eingesumpft und teilgetrocknet sind, können ebenfalls angereichert werden mit Spurenelementen/Mikroelementen, Ultraelementen, Mengenelemente, Nährstoffe, essentielle Nährstoffe, Kohlenhydrate, Fette, Proteine, Mineralstoffe, Vitamine und/oder Wasser.
Die Anreicherung mit Spurenelementen/Mikroelementen, Ultraelementen, Mengenelementen, Nährstoffe, essentielle Nährstoffe, Kohlenhydrate, Fette, Proteine, Mineralstoffe, Vitamine und/oder Wasser, kann beispielsweise durch Tränken der Kohle geschehen.
Des Weiteren kann die Hydrophilie der Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel, die funktionalisiert, oberflächenmodifiziert, eingesumpft, eingesumpft und getrocknet, getrocknet, getrocknet und angefeuchtet sowie eingesumpft und teilgetrocknet sind, verstärkt werden durch Kombinationen und/oder Funktionalisierungen und/oder Teilfunktionalisierungen mit Superabsorbern und/oder Tonmineralien, sowie Bentoniten oder Montmorrilloniten.
Zu den Montmorrilloniten zählt unter anderem Nanoclay. Nanoclays entstammen einer großen Klasse von natürlich vorkommenden Silikaten, von denen plättchenförmiger Montmorrilloniten am häufigsten verwendet wird. Montorrillonit besteht aus ungefähr 1 nm dicken Aluminosilikat-Schichten, deren Oberfläche mit Metallionen substituiert ist und die ungefähr 10 μm starke Mehrschichtenstapel bilden. Sie werden beispielsweise als Addtive für Kunststoffe verwendet.
Bevorzugt wird der Superabsorber aus der Gruppe, bestehend aus Copolymerisaten der Acrylsäure und/oder Methacrylsäure mit Alkaliacrylat und/oder Alkalimethacrylat, Copolymerisaten auf der Basis von Stärke und Acrylaten und/oder Methacrylaten und Copolymerisaten auf Basis von Polyacrylamiden und Alkaliacrylaten und/oder Alkalimethacrylaten, ausgewählt.
Superabsorber sind allgemein bekannte Stoffe und werden jährlich im 100.000-Tonnenmaßstab hergestellt. In der Hauptsache werden Superabsorber als saugfähiges Material in Windeln verwendet.
Des Weiteren können durch unterschiedlichste Populationsdichten und/oder Metabolismusaktivitäten die Konzentrationsgleichgewichte innerhalb des Konverters verschoben werden.
Weitere Beispiele für die Rückgewinnung der Kohle ist das Heraussieben, Zentrifugieren und/oder Filtrieren der Kohle beim Entleeren der Biomasse. Dies geschieht am Ende der Produktgewinnung.
Vorzugsweise können die Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel, die funktionalisiert, oberflächenmodifiziert, eingesumpft, eingesumpft und getrocknet, getrocknet, getrocknet und angefeuchtet sowie eingesumpft und teilgetrocknet sind, Schwermetalle binden, wobei das Effluent niedrigere Werte hat als in den üblichen Verfahren. Dieses Effluent kann dann erneuert mit frischen Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel, die funktionalisiert, oberflächenmodifiziert, eingesumpft, eingesumpft und getrocknet, getrocknet, getrocknet und angefeuchtet sowie eingesumpft und teilgetrocknet sind, angereichert werden um dieses dann als Düngemittel zu gebrauchen.
Des Weiteren können Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel, die funktionalisiert, oberflächenmodifiziert, eingesumpft, eingesumpft und getrocknet, getrocknet, getrocknet und angefeuchtet sowie eingesumpft und teilgetrocknet sind, in Kläranlagen eingesetzt werden. Diese binden die in den Kläranlagen befindlichen Schadstoffe und hemmen die schädlichen Bakterien und helfen so, das Wasser zu reinigen.
Das nachstehenden Beispiel ist nur beispielhaft und nicht abschließend aufgeführt. Das Beispiel soll demnach die Vielfalt der Möglichkeiten verdeutlichen, und der Fachmann kann aufgrund seines allgemeinen Fachwissens ohne Weiteres, weiter Möglichkeiten angeben.
Beispiel
1 Gew.-% Pflanzenkohle wird mit Spurenelementen/Mikroelementen, Ultraelementen, Mengenelementen, Nährstoffen, essentielle Nährstoffe, Kohlenhydrate, Fette, Proteine, Mineralstoffe, Vitamin und/oder Wasser über ein gewissen Zeitraum eingesumpft und angereichert.
Die angereicherte Pflanzenkohle wird mit Hilfe von Lignin auf die Wände des Konverters gesprüht. Dies geschieht in verschiedenen Schritten. In den leeren Konverter werden die Wände mit einer klebenden Lignin-Lösung bestrichen. Anschließend wird der partikuläre Kohlenstoff, der zuvor mit Spurenelementen/Mikroelementen, Ultraelementen, Mengenelementen, Nährstoffen, essentielle Nährstoffe, Kohlenhydrate, Fette, Proteine, Mineralstoffe, Vitamin und/oder Wasser über ein gewissen Zeitraum eingesumpft und angereichert wurde, auf den Lignin-Klebstoff gesprüht.
Biomasse wird in einen Biokonverter gegeben.
Der Fermentationsprozess wird gestartet. Durch die Zugabe von Spurenelementen/Mikroelementen, Ultraelementen, Mengenelementen, Nährstoffen, essentielle Nährstoffe, Kohlenhydrate, Fette, Proteine, Mineralstoffe, Vitamin und/oder Wasser in der Kohle wird der Prozess beschleunigt. Nach einigen Tagen ist der Mehrertrag von Methan und anderen Produkten deutlich festzustellen.
Dem Effluent wird nach der Produktion frisch Pflanzenkohle hinzugefügt, sodass dieses nun als Düngemittel verwendbar ist.
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

DE 102011/087635 A1 [0007]
DE 202014/004445 U1 [0008]
WO 2015/122688 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Artikel »Steigerung des Biogasertrages durch die Zugabe von Pflanzenkohle« in Müll und Abfall, 2014, Seiten 476 bis 480, beschreiben Dipl. Wi.-Ing. Jan-Markus Rödger, M. Eng.-M. Sc. Waldemar Ganagin, Dipl.-Ing.agr. Andreas Krieg, B. SC. Christian Roth und Prof. Dr.-Ing. Achim Loewen [0013]

Claims

Biokonverter, der mithilfe von pyrogenem Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffnanopartikeln, Kohlenstoffmikropartikeln und/oder Kohlenstoffmakropartikeln und/oder mit einer Wandbekleidung, umfassend fixierte Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel, bezüglich des pyrogenen Kohlenstoffs verlustfrei oder nahezu verlustfrei das Wachstum von Mikroorganismen und/oder die Steigerung des Metabolismus und/oder Katabolismus und/oder Anabolismus fördert und/oder zur Steigerung des Ertrages verschiedener Produkte beiträgt.
Biokonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel mittels Klebstoffen fixiert sind.
Biokonverter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebstoffe aus der Gruppe, bestehend aus – Biopolymere, – Polysaccharide, – Chemisch härtende Klebstoffe, – Polymerisationsklebstoffe, – Cyanacrylat-Klebstoffe (Sekundenkleber), – Methylmethacryl-Klebstoffe, – Anaerob härtende Klebstoffe, – Ungesättigte Polyester (UP Harze), – Strahlenhärtende Klebstoffe, – Polykondensationsklebstoffe, – Phenol-Formaldehydharz Klebstoffe, – Silikon-Silan vernetzte Polymerklebstoffe, – Lignin-Klebstoffe, – Polyimidklebstoffe, – Polysulfidklebstoffe, – Polyadditionsklebstoffe, – Expoxidharz Klebstoffe, – Polyurethan Klebstoffe, – Silikon-Polyisocyanat Klebstoffe, – physikalisch abbindende Klebstoffe, – Lösemittelhaltige Klebstoffe, – Kontaktklebstoffe, – Dispersionsklebstoffe, Zement, – zementbasierte Klebstoffe, – Schaumbeton, – Gipsbasierte Klebstoffe – Plastisole, – Klebstoffe ohne Verfestigungsmechanismus, – und Löschkalk und hierauf basierte Klebstoffe, ausgewählt sind.
Biokonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanopartikel, die Kohlenstoffmikropartikel und/oder die Kohlenstoffmakropartikel ein Wirbelschichtbett oder Wirbelschichtreaktor bilden.
Konvertierungsverfahren, das mithilfe von pyrogenem Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffnanopartikeln, Kohlenstoffmikropartikeln und/oder Kohlenstoffmakropartikeln und/oder mithilfe der Wandbekleidung des erfindungsgemäßen Biokonverters, umfassend Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffmikropartikel und/oder Kohlenstoffmakropartikel, bezüglich des pyrogenen Kohlenstoffs verlustfrei oder nahezu verlustfrei das Wachstum von Mikroorganismen und/oder die Steigerung des Metabolismus und/oder Katabolismus und/oder Anabolismus fördert und/oder zur Steigerung des Ertrages verschiedener Produkte beiträgt.
Verfahren zur Optimierung der Pflanzenkohle, bei dem die Pflanzenkohle funktionalisiert, oberflächenmodifiziert, eingesumpft, eingesumpft und getrocknet, getrocknet, getrocknet und angefeuchtet sowie eingesumpft und teilgetrocknet wird.
Verwendung des Effluents des Biokonverters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 als Wertprodukt.
Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wertprodukt Dünger ist.