DE10346471B4

DE10346471B4 - Verfahren zur biologischen Gasaufbereitung

Info

Publication number: DE10346471B4
Application number: DE10346471A
Authority: DE
Inventors: Robert Dr. Nusko
Original assignee: Schmack Biogas GmbH
Current assignee: Schmack Biogas GmbH
Priority date: 2002-10-05
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2023-10-03
Also published as: WO2004033075A1; DE10346471A1; AU2003280298A1

Abstract

Verfahren zur biologischen Aufbereitung von Gasen mit einem Kohlenwasserstoffgehalt von 40 Vol.-% bis 95 Vol.-% und einem Kohlendioxidgehalt von 2 Vol.-% bis 60 Vo1.-% mit den Schritten
– das in dem Gas enthaltene Kohlendioxid wird in einem Reaktor (4) zumindest teilweise durch Mikroorganismen photosynthetisch fixiert,
– die dadurch entstehende Biomasse wird durch anaeroben Abbau in einem Fermenter (1) zu Biogas umgesetzt,
– das in diesem Biogas enthaltene Kohlendioxid wird in dem Reaktor (4) zumindest teilweise durch Mikroorganismen photosynthetisch fixiert, wobei ein vor allem aus Methan und Sauerstoff bestehendes Gasgemisch mit Hilfe eines Gas-Flüssigkeits-Separator (5) von dem Biogas abgetrennt wird, und
– die dadurch entstehende Biomasse wird wiederum durch anaeroben Abbau in einem Fermenter (1) zu Biogas umgesetzt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur biologischen Aufbereitung von Gasen.
Stand der Technik
Gasförmige Brenn- und Treibstoffe, die aus dem anaeroben Abbau organischen Materials entstanden sind, enthalten neben den brennbaren Kohlenwasserstoffen immer gewisse Mengen an Kohlendioxid. Beispiele für derartige Gase sind Biogas, Klärgas, Faulgas, Deponiegas und das vor langer Zeit entstandene und durch geochemische Prozesse an Kohlendioxid abgereicherte Erdgas. Die Zusammensetzung der genannten Gase schwankt je nach Genese und Lagerbedingungen in bestimmten Grenzen. Die typische Zusammensetzung der Haupt- und Nebenbestandteile von Biogas sowie von Klär- und Faulgas bewegt sich in folgendem Bereich: Methan: 40–75%, Kohlendioxid: 25–55%, Wasserdampf: 0–10%, Stickstoff: 0–5%, Sauerstoff: 0–2%, Wasserstoff: 0–1%, Ammoniak: 0–1%, Schwefelwasserstoff: 0–1%.
Die hohen Gehalte an Kohlendioxid wirken sich in mehrfacher Hinsicht negativ auf die Nutzung der genannten Gase als Brenn-/Treibstoff aus. Die hohe Fracht an dem Inertgas Kohlendioxid bewirkt nämlich einerseits eine Reduzierung des Wirkungsgrades der Brenngasnutzung. Daneben verursacht der hohe Gehalt an Kohlendioxid zusammen mit Feuchte eine erhöhte Anlagenkorrosion. Außerdem entstehen durch das nicht nutzbare CO₂ unnötige zusätzliche Kosten, wenn es bei einer Kompression des Brenngases zu Lager- bzw. Transportzwecken mitkomprimiert und ggf. mittransportiert werden muss. Ein weiterer Nachteil hoher Kohlendioxidgehalte in Brenngasen ist das Ausfallen flüssigen Kohlendioxids im komprimierten Zustand, wodurch häufig Probleme beim Transport von Gasströmen in Leitungen verursacht werden.
Vor diesem Hintergrund wurden zahlreiche Verfahren zur Entfernung von Kohlendioxid aus Brenngasen entwickelt. Im Bereich der Erdgasaufbereitung werden Verfahren zur nassen Gaswäsche bereits seit langer Zeit eingesetzt. Neben der im Vergleich zu Methan höheren Löslichkeit von Kohlendioxid in polaren Lösungsmitteln wird dabei häufig eine reversible Bindung des Kohlendioxids an Amine oder eine Salzbildung ausgenutzt. Das mittels nasser Gaswäsche abgetrennte Kohlendioxid wird in einem Desorptionsschritt zur Regeneration der Waschlösung in die Atmosphäre freigesetzt.
Neben den genannten nassen Verfahren wurden in den letzten Jahrzehnten vermehrt reversible Adsorptionsprozesse an Molekularsieben zur Trennung von Kohlendioxid und Methan eingesetzt. Je nachdem ob die Desorption des Kohlendioxids vom Adsorber thermisch oder durch Druckerniedrigung erfolgt, spricht man von ThermoSwingAdsorption (TSA) oder von PressureSwingAdsorption (PSA). Bei beiden Verfahren muss das aufzubereitende Gas vorgetrocknet werden und das abgetrennte Kohlendioxid wird zusammen mit einer technisch nicht vermeidbaren Menge an Methan in die Umgebung freigesetzt.
Mit der zunehmenden Verfügbarkeit technischer Membranen gewinnt die Membrantechnik in der Gasaufbereitung an Bedeutung. Zur Trennung von Kohlendioxid/Methan-Gemischen werden sowohl trockene als auch nasse Membranen eingesetzt. Unabhängig vom Membrantyp und vom ausgewählten Verfahren wird das abgetrennte Kohlendioxid, das einen gewissen Restmethangehalt aufweist, in die Atmosphäre freigesetzt. Membranverfahren erfordern immer eine gewisse Vorreinigung der natürlichen Gase und meist erhöhte Drücke größer als 8 bar.
Kryogene Verfahren, die auf der Verflüssigung des Kohlendioxids bei niedrigen Temperaturen beruhen, spielen wirtschaftlich eine untergeordnete Rolle. Sie erfordern einen enormen technischen Aufwand zur Gasvorreinigung, Trocknung und Kompression. Vorteil dieser Verfahren ist, dass das abgetrennte flüssige bzw. feste Kohlendioxid sehr rein ist und vor der Freisetzung in die Atmosphäre als Kältespeicher bzw. als „Kohlensäure" in der Getränkeindustrie genutzt werden kann.
Vor dem Hintergrund der beobachteten Klimaveränderungen werden die Rolle von Kohlendoxid als Treibhausgas und dessen anthropogene Freisetzung intensiv erforscht und diskutiert. Im Rahmen dieser Forschungen gibt es Bemühungen, den Ausstoß von Kohlendioxid in den Abgasen von Kraftwerken zu verringern.
Ein mehrfach publizierter und wissenschaftlich untersuchter, doch zur Zeit technisch nicht umgesetzter Ansatz betrifft die Fixierung von Kohlendioxid aus Kraftwerkabgasen mittels Mikroorganismen. Die bei der Abgasreinigung entstehenden Mikroorganismen sollten nach Jander (Massenkultur von Mikroalgen mit pharmazeutisch nutzbaren Inhaltsstoffen unter Verwendung von CO₂ und NaHCO₃ gewonnen aus den Abgasen eines Blockheizkraftwerkes, Dissertation Universität Kiel 2001) medizinisch 1 pharmazeutisch genutzt werden können.
Mitsuhasi und Kurano beschreiben auf der Website des Marine Biotechnology Institute (1-28-10 Hongo Bunkyo-ku, Tokyo 113-0033, httpa/salmon.mbio.co.jp/mbi/) die industrielle Nutzbarkeit von Algenbiomasse aus Kraftwerksabgasen. Eine derartige Nutzung erfordert die Aufzucht der Mikroorganismen in einer nur aufwändig realisierbaren sterilen Umgebung. Darüber hinaus muss die Weiterverarbeitung der erzeugten Biomasse gesichert werden.
Zur Erzeugung pharmazeutischer und technischer Rohstoffe bedient sich die Industrie vermehrt der Biotechnologie. Mit dem Einsatz Photosynthese treibender Mikroorganismen gewinnt die Entwicklung von Photobioreaktoren zur Produktion dicht besiedelter Algen- und Bakterienkulturen an Bedeutung. Zahlreiche Schriften geben den Stand der Technik zur effektiven Produktion biologischer Substanzen in Photobioreaktoren wieder. Borowitzka (Journal of Biotechnology 70 (1999) 313–321) gibt in seinem Artikel Commercial production of microalgae: ponds, tanks, tubes and fermenters einen Überblick über die verschiedenen Möglichkeiten. Pulz beschreibt in Photobioreactors: production systems for phototrophic microorganisms (Appl. Microbiol. Biotechnol. 57 (2001) 287–293) die verschiedenen Photobioreaktorsysteme.
Aus der DE 198 14 253 A1 ist ebenfalls die photosynthetische Fixierung von CO₂ durch Mikroorganismen und Mikroalgen aus Gasen zur Gewinnung von Biomasse bekannt.
Von der US 4 690 697 wird die photosynthetische Fixierung von CO₂ durch Pflanzen beschrieben.
Auch die DE 44 44 191 C1 offenbart die photosynthetische Fixierung von CO₂ aus Abgasen durch Mikroorganismen und Algen.
Bei den Anlagen zur Erdgasgewinnung und -aufbereitung handelt es sich um großindustrielle Komplexe. Die umgesetzten Gasmengen rechtfertigen hohe Investitionen, in Aufbereitungsverfahren. Die Abreicherung von Kohlendioxid ist in diesem Zusammenhang selbstverständlich. Von den aktuell eingesetzten Anlagen wird das abgetrennte Kohlendioxid ohne weitere Nutzung direkt in die Atmosphäre freigesetzt.
Das in Kläranlagen und Biogasanlagen erzeugte Klär-/Faulgas bzw. Biogas wird meist ohne weitere Aufbereitung in Blockheizkraftwerken (BHKW) verfeuert. Ein Blockheizkraftwerk besteht aus einem stationären Motor, der nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung sowohl elektrischen Strom als auch Wärme produziert. Die Effektivität von BHKWs beruht auf der Nutzung der Abwärme, die in anderen Kraftwerken über das Kühlwasser ungenutzt in Flüsse geleitet wird. Der hohe Wirkungsgrad der Blockheizkraftwerke macht beträchtliche Energieeinsparungen möglich.
Vor allem bei Biogasanlagen, die relativ geringe Gasmengen von weniger als 5000 m³/Tag produzieren, lohnt sich zur Zeit die Investition in eine Gasaufbereitungsanlage nicht. Nachteile der Verwendung nicht aufbereiteten Biogases in Blockheizkraftwerken sind unter anderem:

– Schlechte Verbrennung aufgrund des hohen Kohlendioxidgehaltes – zur Verwendung in Selbstzündmotoren ist der Zusatz von Diesel erforderlich,
– Geringer Wirkungsgrad im BHKW, da das nicht an der Verbrennung teilnehmende Ballastgas Kohlendioxid mit aufgeheizt und expandiert wird,
– Hoher Wartungs- und Einstellungsbedarf am BHKW durch schwankende Gaszusammensetzung,
– Korrosion an Leitungen und Motor durch saure Gasbestandteile wie z. B. Schwefelwasserstoff – dadurch hoher Verschleiß und hohe Betriebskosten.

Den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid aus Brenn-/Treibstoffgasen ist gemeinsam, dass die Energie, die zur Abtrennung eingesetzt wird, nicht mehr zurückgewonnen wird. Diese Verfahren erfordern allesamt erhebliche Mengen an Energie und zur Umsetzung einen relativ hohen Investitionsaufwand in technische Einrichtungen. Darüber hinaus setzen die technisch relevanten Verfahren das abgetrennte Kohlendioxid unmittelbar in die Atmosphäre frei, obwohl das Kohlendioxid zur Erderwärmung beiträgt.
Aus dem geschilderten Stand der Technik ist zu ersehen, dass im Bereich der geringe Gasmengen erzeugenden Bio- und Faulgasanlagen Bedarf an kostengünstigen Anlagen zur Gasaufbereitung besteht. Übergreifend bei kleinen und großen Anlagen besteht zur Zeit das Problem der ungenutzten Freisetzung des klimarelevanten Kohlendioxids.
Darstellung der Erfindung
Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren zur biologischen Gasaufbereitung bereitzustellen, die neben einer kostengünstigen Reinigung des Brenngases eine in Bezug auf die Menge an ausgestoßenem CO₂ verbesserte Effizienz aufweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur biologischen Aufbereitung von Gasen gemäß Anspruch 1 und durch die Vorrichtung zur biologischen Aufbereitung von Gasen gemäß Anspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Details, Aspekte und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung, den Beispielen und den Figuren.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur biologischen Aufbereitung von Gasen mit einem Kohlenwasserstoffgehalt von 40 Vol.-% bis 95 Vol.-% und einem Kohlendioxidgehalt von 2 Vol.-% bis 60 Vol.-% zur Verfügung, wobei das Verfahren die Schritte zumindest teilweise photosynthetische Fixierung des in dem Gas enthaltenen Kohlendioxids durch Mikroorganismen in einem Reaktor, Umsetzung der dadurch entstehenden Biomasse durch anaeroben Abbau in einem Fermenter zu Biogas, zumindest teilweise photosynthetische Fixierung des in diesem Biogas enthaltenen Kohlendioxids durch Mikroorganismen in dem Reaktor, wobei ein vor allem aus Methan und Sauerstoff bestehendes Gasgemisch mit Hilfe eines Gas-Flüssigkeits-Separators von dem Biogas abgetrennt wird, und Umsetzung der dadurch entstehenden Biomasse durch anaeroben Abbau in dem Fermenter zu Biogas umfasst.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Brenn- und Treibstoffgase, die einen Kohlenwasserstoffgehalt von 40 Vol.-% bis 95 Vol.-% und einen Kohlendioxidgehalt von 2 Vol.-% bis 60 Vol.-% aufweisen, aufbereitet werden. Bei der photosynthetischen Fixierung des in solchen Biogasen enthaltenen Kohlendioxids durch Mikroorganismen wird Sonnenenergie zur Kohlendioxid-Abtrennung ausgenutzt. Die dadurch gebildete Biomasse wird durch anaeroben Abbau zu Biogas umgesetzt und dient somit wiederum der Erzeugung von Brenngasen.
Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, die das abgetrennte Kohlendioxid in die Atmosphäre entlassen, wird also in dem erfindungsgemäßen Verfahren das CO₂ zu Biomasse umgesetzt. Dadurch erfolgt bezogen auf die genutzte Energie eine effektive Verringerung der Kohlendioxidfreisetzung. Das erfindungsgemäße Verfahren leistet somit einen Beitrag zur Effizienzsteigerung bei der Erzeugung und Nutzung nachwachsender Rohstoffe und erneuerbarer Energien.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Tatsache, das die gereinigten Brenngase einen erhöhten Anteil an Sauerstoff aufweisen. Durch die biologische Reinigung wird das Sauerstoff/Stickstoff-Verhältnis über das in der Atmosphäre vorliegende Verhältnis Sauerstoff/Stickstoff von rund 1 : 4 angehoben. Dieser erhöhte Sauerstoffanteil im aufbereiteten Gas macht sich bei der Verbrennung besonders positiv bemerkbar.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung handelt es sich bei den aufzubereitenden Gasen um aus dem anaeroben Abbau organischer Materie entstandene Bio-, Klär- bzw. Faulgase.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Kohlendioxidgehalt im Gas mittels Photosynthese treibender Mikroorganismen verringert. In einem Photobioreaktor (PBR) verstoffwechseln die genannten Mikroorganismen unter Nutzung von Lichtenergie aus dem Rohgas stammendes Kohlendioxid zusammen mit Wasser. Dabei entstehen nach der allgemein bekannten Photosynthesegleichung Biomasse und Sauerstoff. Der durch Reproduktion und Wachstum entstehende Biomasseüberschuss wird von der zum Betrieb des PBR benötigten Biomasse abgetrennt und in einem Fermenter unter anaeroben Bedingungen bakteriell abgebaut. Das beim anaeroben Abbau der Überschussbiomasse entstehende Biogas wird dem Rohgasstrom zugeführt.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also Sonnenenergie mittels photosynthetischer Kohlendioxid-Fixierung zur Aufbereitung von Brenngasen und gleichzeitig zur Produktion neuer Brenngase über den Umweg Biomasseerzeugung – anaerober Biomasseabbau genutzt.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufzubereitenden Gase besitzen einen Gehalt an Kohlenwasserstoffen zwischen 40 Vol.-% und 95 Vol.-% und einen Kohlendioxidgehalt zwischen 2 Vol.-% und 60 Vol.-%. Ein solches Gas bewirkt bei der Durchleitung durch ein wässriges Medium aufgrund des sich einstellenden Kohlendioxid/Hydrogencarbonat-Gleichgewichtes eine Erniedrigung des pH-Werts auf etwa 4 bis 5. Ferner lösen sich die im Gas enthaltenen Kohlenwasserstoffe zu einem gewissen Anteil im wässrigen Medium. Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Mikroorganismen müssen also unter den anaeroben Bedingungen eines Brennstoffgases leben und sich vermehren können.
Der Fachmann kann die Identifizierung und Auswahl von Mikroorganismen, die unter den genannten Bedingungen lebensfähig sind, durch bekannte Methoden vornehmen. Ein möglicher Weg zur Identifizierung und Auswahl solcher Mikroorganismen wird nachfolgend unter „Wege zur Ausführung der Erfindung" angegeben.
Nach Durchführung einer Vielzahl entsprechender Versuche wurde gefunden, dass sich Cyanobakterien wie z. B. Synechocystis aquatilis zur Kohlendioxid-Fixierung besonders gut eignen. Diese Bakterien stellen daher eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Es können aber auch Mischungen und insbesondere Wildtypen dieser Bakterien eingesetzt werden.
Daneben wurde gefunden, dass sich Mikroalgen und insbesondere Chlorophyceae wie z. B. Cyanidium Caldarium, Chlamydomonas noctigama, Nostoc E, Chlorella kessleri oder Chlamydomonas moewusii besonders gut zur Kohlendioxid-Fixierung eignen. Diese Mikroalgen stellen daher besonders bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Es können auch Mischungen und insbesondere Wildtypen dieser Algen eingesetzt werden.
Außerdem können Mischungen aus Algen und Bakterien zur Kohlendioxid-Fixierung verwendet werden.
Zur Beleuchtung der Mikroorganismen wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung neben natürlichem Tageslicht auch künstliches Licht eingesetzt. Dadurch kann in der Dunkelperiode durch den Einsatz von Kunstlicht verhindert werden, dass die Mikroorganismen atmen und damit Kohlendioxid frei setzen.
Der Kontakt des Rohgases mit der Photosynthese treibenden Biomasse kann auf unterschiedliche Art erfolgen. Im einfachsten Fall wird das Rohgas direkt durch den PBR geleitet. Die Mikroorganismen verbrauchen einen Teil des im Gas enthaltenen Kohlendioxids und reichern das Gas mit Sauerstoff an.
Konstruktiv aufwändiger ist das Waschen des Gases mit einer Biomasse-freien wässrigen Flüssigkeit. Aufgrund der im Vergleich zu den Kohlenwasserstoffen höheren Löslichkeit des Kohlendioxids in wässrigen Lösungen wird Kohlendioxid aus dem Gas abgetrennt. Die an Kohlendioxid angereicherte Waschlösung wird den Mikroorganismen im PBR zugeführt. Dort wird der entstehende Sauerstoff abgetrennt.
Alternativ zu den beiden genannten Verfahren kann das Rohgas außerhalb des PBR in einer Gaswascheinrichtung durch die Mikroorganismen-Suspension geleitet werden. Durch Umpumpen der Mikroorganismen-Suspension durch Gaswascheinrichtung und PBR kann das Gas ohne aufwändige Abtrennung der Mikroorganismen von der Waschlösung annähernd Sauerstoff-frei gehalten werden. Bei dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage (siehe „Wege zur Ausführung der Erfindung") wird das direkte Durchleiten des Rohgases durch den PBR dargestellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das gereinigte Biogas zum Betrieb eines Blockheizkraftwerkes verbrannt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vor der Verbrennung des gereinigten Gases eine definierte Menge an ungereinigtem Gas mit einem Kohlenwasserstoffgehalt von 40 Vol.-% bis 95 Vol.-% und einem Kohlendioxidgehalt von 2 Vol.-% bis 60 Vol.-% zu dem gereinigten Gas zugesetzt. Dadurch können Schwankungen in der Gaszusammensetzung, die sich störend auf den Betrieb des Blockheizkraftwerkes auswirken würden, ausgeglichen werden.
Zur Verbrennung in einem Blockheizkraftwerk werden bevorzugt hoch methanhaltige Gase wie z. B. Erdgas, Biogas, Klärgas, Faulgas oder Deponiegas verwendet.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei den zur Kohlendioxid-Fixierung eingesetzten Mikroorganismen um Photosynthese treibende Cyanobakterien wie z. B. Synechocystis aquatilis, um Mischungen solcher Bakterien oder um Wildtypen solcher Bakterien. Diese Bakterien zeigen unter den anaeroben Bedingungen von Brennstoffgas besonders gute Wachstumsraten und damit eine hohe Effizienz in der Kohlendioxid-Fixierung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei den zur Kohlendioxid-Fixierung eingesetzten Mikroorganismen um Mikroalgen, besonders bevorzugt um Chlorophyceae wie z. B. Cyanidium Caldarium, Chlamydomonas noctigama, Nostoc E; Chlorella kessleri oder Chlamydomonas moewusii, um Mischungen solcher Mikroalgen oder um Wildtypen solcher Mikroalgen. Diese Mikroalgen zeigen unter den anaeroben Bedingungen von Brennstoffgas besonders gute Wachstumsraten und damit eine hohe Effizienz in der Kohlendioxid-Fixierung.
Die vorliegende Erfindung umfasst daneben auch eine Vorrichtung zur biologischen Aufbereitung von Gasen mit einem Kohlenwasserstoffgehalt von 40 Vol.-% bis 95 Vol.-% und einem Kohlendioxidgehalt von 2 Vol.-% bis 60 Vol.-%, wobei die Vorrichtung einen Fermenter, einen Nachgärer und einen Photobioreaktor mit Gas-Flüssigkeit-Separator umfasst.
Bei dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um eine sehr kostengünstige Anlage zur Gasaufbereitung. Die Anlage verursacht zum einen bei ihrer Erstellung vergleichsweise niedrige Investitionskosten, zum anderen erfordert sie im Betrieb niedrige Unterhaltskosten.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als Bestandteil einer Anlage zur Erzeugung von Biogas, Klärgas oder Faulgas mittels anaerobem Abbau organischer Materie ausgestaltet.
Besonders bevorzugt wird das Gas mit einem Kohlenwasserstoffgehalt von 40 Vol.% bis 95 Vol.-% und einem Kohlendioxidgehalt von 2 Vol.-% bis 60 Vol.-% direkt durch den Photobioreaktor geleitet.
Als weiterer Bestandteil ist bevorzugt ein Blockheizkraftwerk vorgesehen, in dem das gereinigte Biogas verbrannt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zur Illustration der Erfindung und zur Verdeutlichung ihrer Vorzüge werden nachfolgend Ausführungsbeispiele angegeben. Diese Ausführungsbeispiele sollen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es versteht sich von selbst, dass diese Angaben die Erfindung nicht beschränken sollen. Es zeigen
1 eine graphische Darstellung des Wachstums von Synechocystis aquatilis unter Raumluft und unter Biogas durch Auftragung des Trockengewichts von Synechocystis aquatilis gegen die Zeit;
2 eine graphische Darstellung des Wachstums eines Chlorella Wildtyps unter Raumluft und unter Biogas durch Auftragung des Trockengewichts des Chlorella Wildtyps gegen die Zeit;
3 eine graphische Darstellung des Wachstums von Chlorella fusca unter Raumluft und unter Biogas durch Auftragung des Trockengewichts von Chlorella fusca gegen die Zeit;
4 eine graphische Darstellung des Wachstums von Cyanidium caldarium unter Raumluft und unter Biogas durch Auftragung des Trockengewichts von Cyanidium caldarium gegen die Zeit;
5 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Zur Identifizierung Photosynthese treibender Mikroorganismen, die unter den anaeroben Bedingungen eines Brennstoffgases überleben und daher zum Einsatz in einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet sind, wurden Untersuchungen in synthetischem Biogas durchgeführt. In den 1 bis 4 sind die Ergebnisse von Wachstumsuntersuchungen an einem Cyanobakterium und drei verschiedenen Grünalgen dargestellt.
Die Bakterienkultur Synechocystis aquatilis und die Grünalgenkultur Cyanidium caldarium stammen aus der Sammlung von Algenkulturen in Göttingen (D), die Chlorella Typen (Chlorella fusca und ein im Freigelände der Universität Regensburg vorkommender Wildtyp) stammen von der Universität Regensburg, biologische Fakultät, Prof. Dr. Loos. Die Testkulturen wurden durch Animpfung mit einer definierten Menge der Stammkultur in einem geeigneten Nährmedium hergestellt. Zur Durchführung vergleichender Tests in Raumluft und in synthetischem Biogas wurden alle Proben doppelt präpariert.
Jeweils 100 ml Kultur wurden in einem 500 ml Weithals Erlenmeyerkolben unter sterilen Bedingungen aufgezogen. Die Chlorella Kulturen wurden bei ca. 21°C Raumtemperatur und 3500 Lux Dauerbeleuchtung (weißes Neonlicht) unter ständigem Rühren auf dem Magnetrührer gehalten. Die Synechocystis aquatilis und die Cyanidium caldarium Kulturen wurden in einem Schüttelwasserbad bei 30°C und 2500 Lux Dauerlicht (weißes Neonlicht) gehalten.
Synthetisches Biogas wurde durch Mischung von 60 Vol.-% Methan und 40 Vol.-% Kohlendioxid in einer Gasmischeinrichtung aus den komprimierten Gasen in technischer Reinheit (Linde AG, Unterschleißheim, D) hergestellt.
Ein Teil der Kulturen wurde einmal täglich für jeweils zwei Minuten mit 100 l/h synthetischem Biogas beaufschlagt und sonst gasdicht verschlossen. Der Rest der Kulturen wurde offen gegen die Raumluft gehalten. In regelmäßigen Abständen wurde das Trockengewicht der Kulturen über Absorptionsmessungen bei 510 nm und einer entsprechenden Kalibration bestimmt.
In den 1 bis 4 sind die unter Biogas bestimmten Wachstumskurven der verschiedenen Kulturen den unter Raumluft erhaltenen Wachstumskurven gegenübergestellt. Alle untersuchten Kulturen zeigen unter Biogasatmosphäre ein stärkeres Wachstum als unter Umgebungsluft. Besonders stark ist dieser Unterschied bei dem unter annähernd anaeroben Bedingungen lebenden Chlorella Wildtypen (2) ausgeprägt.
Diese Untersuchungen zeigen, dass sowohl Bakterien als auch Mikroalgen existieren, die zum Einsatz in den Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Der Einsatz von Mischkulturen und Wildtypen bietet die Möglichkeit der Anpassung an die herrschenden Bedingungen und damit besonderes Potenzial. Im Gegensatz zur Herstellung reiner Kulturen in den PBR der pharmazeutischen Industrie und der Lebensmittelindustrie spielt die Art der gebildeten Biomasse bei der vorliegenden Erfindung keine Rolle. Die beste Kultur, also die Kultur, die am schnellsten wächst, darf sich durchsetzen.
Nebenbestandteile realer Bio- und Klärgase sind häufig Ammoniak und Schwefelwasserstoff. Diese Substanzen lösen sich wie Kohlendioxid gut in wässrigen Systemen. Sie beeinflussen ebenfalls pH-Wert und Ionenzusammensetzung eines beaufschlagten wässrigen Systems. Qualitative Versuche mit den genannten Organismen zeigen die Übertragbarkeit der mit synthetischem Biogas gewonnenen Ergebnisse auf reale Systeme. Alle Kulturen wachsen auch in realem Biogas.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer typischen landwirtschaftlichen Biogasanlage. Durch methanogene Bakterien wird im Fermenter 1 und Nachgärer 2 Biomasse wie z. B. Gülle, Grasschnitt und sonstige landwirtschaftliche Reststoffe in Biogas umgewandelt. Dieses wird im Nachgärer (mit elastischem Dach 3) gesammelt und in feinsten Blasen in den PBR 4 eingeleitet. In diesem befinden sich Biogas-tolerante, Photosynthese treibende Mikroorganismen. Der PBR ist auf optimale Strömungs- und Lichtverhältnisse angepasst. In der Dunkelperiode kann ggf. durch Kunstlicht verhindert werden, dass die Mikroorganismen atmen.
Das Kohlendioxid löst sich in dem wässrigen System und wird durch die Mikroorganismen mittels Licht in Sauerstoff und Biomasse umgewandelt. Nebenbestandteile im Gas wie z. B. Ammoniak und Schwefelwasserstoff lösen sich im wässrigen System und werden als Spurenbestandteile von den Mikroorganismen verstoffwechselt. Weitere von den Mikroorganismen benötigte und nicht durch das Gas bereitgestellte Spurenelemente müssen separat zudosiert werden. Methan löst sich kaum und wird durch die Organismen nicht abgebaut.
Die nicht gelösten Gase (vor allem Methan und Sauerstoff) werden durch einen Gas-Flüssigkeits-Separator 5 von der Flüssigkeit im PBR getrennt. Das so aufbereitete Reingas wird in eine zweite elastische Haube 6 auf dem Nachgärer geleitet. Im Ansaugbereich des Blockheizkraftwerkes (BHKW) 7 können ggf. aufbereitetes und nicht aufbereitetes Biogas zur Vermeidung von Schwankungen in der Gaszufuhr gemischt werden.
Durch den Einsatz von Klopfsensoren und Lambdasonden zur Motorsteuerung kann auf den erhöhten Sauerstoffgehalt im Gas reagiert werden. Der Sauerstoff im aufbereiteten Gas macht sich bei der Verbrennung besonders positiv bemerkbar, da er durch Ersatz von Kohlendioxid und nicht durch Zugabe von Stickstoff reicher Umgebungsluft entstanden ist. Ein Teil der bei der Nutzung im BHKW entstehenden Abwärme kann zur Aufrechterhaltung der Temperatur im PBR in eine spezielle Ummantelung 8 geleitet werden. Die im PBR erzeugte Biomasse wird im Fermenter wieder zu Biogas vergärt.

1: Fermenter
2: Nachgärer
3: elastisches Dach
4: Photobioreaktor
5: Gas-Flüssigkeit-Separator
6: elastische Haube
7: Blockheizkraftwerk
8: heizbare Ummantelung

Claims

Verfahren zur biologischen Aufbereitung von Gasen mit einem Kohlenwasserstoffgehalt von 40 Vol.-% bis 95 Vol.-% und einem Kohlendioxidgehalt von 2 Vol.-% bis 60 Vo1.-% mit den Schritten – das in dem Gas enthaltene Kohlendioxid wird in einem Reaktor (4) zumindest teilweise durch Mikroorganismen photosynthetisch fixiert, – die dadurch entstehende Biomasse wird durch anaeroben Abbau in einem Fermenter (1) zu Biogas umgesetzt, – das in diesem Biogas enthaltene Kohlendioxid wird in dem Reaktor (4) zumindest teilweise durch Mikroorganismen photosynthetisch fixiert, wobei ein vor allem aus Methan und Sauerstoff bestehendes Gasgemisch mit Hilfe eines Gas-Flüssigkeits-Separator (5) von dem Biogas abgetrennt wird, und – die dadurch entstehende Biomasse wird wiederum durch anaeroben Abbau in einem Fermenter (1) zu Biogas umgesetzt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den aufzubereitenden Gasen um hoch methanhaltige Gase wie z. B. Erdgas, Biogas, Klärgas, Faulgas oder Deponiegas handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den zur Kohlendioxid-Fixierung eingesetzten Mikroorganismen um Photosynthese treibende Bakterien, bevorzugt um Cyanobakterien wie z. B. Synechocystis aquatilis, um Mischungen solcher Bakterien oder um Wildtypen solcher Bakterien handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den zur Kohlendioxid-Fixierung eingesetzten Mikroorganismen um Mikroalgen, bevorzugt um Chlorophyceae wie z. B. Cyanidium Caldarium, Chlamydomonas noctigama, Nostoc E, Chlorella kessleri oder Chlamydomonas moewusii, um Mischungen solcher Mikroalgen oder um Wildtypen solcher Mikroalgen handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den zur Kohlendioxid-Fixierung eingesetzten Mikroorganismen um Mischungen aus Algen und Bakterien handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beleuchtung der Mikroorganismen neben natürlichem Tageslicht künstliches Licht eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Gas-Flüssigkeits-Separator (5) abgetrennte Gasgemisch zum Betrieb eines Blockheizkraftwerkes verbrannt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei dem abgetrennten Gasgemisch vor der Verbrennung in dem Blockheizkraftwerk eine definierte Menge an ungereinigtem Gas mit einem Kohlenwasserstoffgehalt von 40 Vol.-% bis 95 Vol.-% und einem Kohlendioxidgehalt von 2 Vol.-% bis 60 Vol.-% zugesetzt wird.
Vorrichtung zur biologischen Aufbereitung von Gasen gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 mit einem Kohlenwasserstoffgehalt von 40 Vol.-% bis 95 Vol.-% und einem Kohlendioxidgehalt von 2 Vol.-% bis 60 Vol.-% mit einem Fermenter (1), einem Nachgärer (2) und einem Photobioreaktor (4) mit Gas-Flüssigkeit-Separator (5).
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Bestandteil einer Anlage zur Erzeugung von Biogas, Klärgas oder Faulgas mittels anaerobem Abbau organischer Materie ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mit einem Kohlenwasserstoffgehalt von 40 Vol.-% bis 95 Vol.-% und einem Kohlendioxidgehalt von 2 Vol.-% bis 60 Vol.-% direkt durch den Photobioreaktor (4) geleitet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei zusätzlich ein Blockheizkraftwerk vorgesehen ist, in dem das gereinigte Biogas verbrannt wird.