DE19611855C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff, Sauerstoff und Biomasse durch Einwirkung des Sonnenlichtes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Was­ serstoff, Sauerstoff und Biomasse.

Phototrophe Organismen, die das Sonnenlicht als eine Energiequelle nutzen, sind als Hersteller von Biomasse, pharmazeutischen (z. B. Vitamine, Hormone) und tech­ nischen (z. B. Polyhydroxybuttersäure, Farbstoffe, Wasserstoff, Sauerstoff) Produk­ ten vor allem in Asien in letzter Zeit viel untersucht worden. Zum größten Teil wer­ den die Produkte aus der abgeernteten Biomasse hergestellt.

Photobioreaktoren sind Fermenter, in denen phototrophe Mikroorganismen, wie Al­ gen, Cyanobakterien und Purpurbakterien kultiviert werden, in denen also entweder das Wachstum und die Vermehrung dieser Zellen ermöglicht wird oder die Produkti­ on unterschiedlicher Substanzen mittels phototropher Zellen gefördert wird. Im Un­ terschied zu konventionellen biotechnischen Fermentationsprozessen sind phototro­ phe Vorgänge lichtabhängig. Um den Zellen einen aktiven Stoffwechsel zu ermögli­ chen, müssen sie möglichst optimal sowohl mit Licht als auch mit verschiedenen Nährlösungen bzw. Gasen (gelösten Substraten) versorgt werden. In manchen Fäl­ len müssen auch für die Mikroorganismen schädliche Stoffwechselprodukte entfernt werden, z. B. Sauerstoff von wachsenden Algenzellen. Die Ver- und Entsorgungsvor­ gänge von Biokatalysatoren werden im allgemeinen Stofftransportvorgänge genannt.

Die Lichtversorgung in Photobioreaktoren ist Gegenstand mehrerer bekannter Ver­ fahren (offene Dünnschichtkultivation, Algenmassenkulturen in Rinnen).

In Photobioreaktoren wird der Stofftransport durch externe Pumpen und Rührer an­ getrieben. Je nach der möglichen Wertschöpfung kann der Energiebedarf von Pum­ pen und Rührern jedoch unter Umständen dazu führen, daß ein Prozeß unwirt­ schaftlich wird.

Bei der Nutzung der Sonnenenergie ist es ein Problem, daß die Energiedichte der Sonneneinstrahlung relativ gering ist. Sie beträgt in Mitteleuropa durchschnittlich et­ wa 100-120 Watt/m². Es erscheint daher wünschenswert, die eingestrahlte Energie optimal zu nutzen, um die Flächen zur Energiegewinnung aus Sonnenlicht möglichst klein zu halten.

Ein weiteres Hindernis bei der Nutzung der Sonnenenergie ist darin zu sehen, daß die gewonnene Energie, soweit es sich um Strom oder Wärme handelt, nicht spei­ cherbar ist. Daher bedarf es eines zusätzlichen Verfahrensschrittes, um die Energie aus sonnenreichen Gegenden oder aus dem Sommerhalbjahr in speicherfähige Energie, z. B. Wasserstoff, umzuwandeln. Dabei kommt es zu Energieverlusten. So beträgt der Wirkungsgrad der Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff je nach Anlage ca. 70%.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch weitgehende Eliminie­ rung von mechanischen Vorrichtungen, wie Pumpen und Rührwerken bei Aufrecht­ erhaltung der notwendigen Stofftransportvorgänge phototrophe Prozesse mit Mikro­ organismen wirtschaftlicher zu machen. Die in den Photobioreaktoren entstehende schlaufenartige Strömung ist frei von Pulsationen und weitgehend laminar. Sie ist selbstregelnd. Wenn durch hohe Lichtintensitäten hohe Durchsätze erzielt werden, wird automatisch auch die Strömungsgeschwindigkeit erhöht. Weiterhin kann es be­ sonders für fadenförmige empfindliche Organismen vorteilhaft sein, pulsationsfrei und laminar angeströmt zu werden. Ferner soll ein möglichst großer Anteil des Son­ nenlichtspektrums für die Energieerzeugung ausgenutzt werden.

Die vorgenannten Aufgaben werden gemäß der Erfindung durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Vorrichtungsanspruches 1 und des Verfahrensanspruches 8 ge­ löst. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung nach Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt den sogenannten Säulenblaseneffekt bei Schlaufenreaktoren aus, um die Strömungen der Photobioreaktoren zu beeinflussen. Auf diese Weise erfolgt die Strömung weitgehend pulsationsfrei. Durch eine Beset­ zung der Photobioreaktoren mit jeweils unterschiedlichen Mikroorganismen ist es möglich unterschiedliche Bereiche des Sonnenspektrums für die Energiegewinnung auszunutzen. Beim Besatz mit Algen entstehen durch Photosynthese Sauerstoff, der für die Energiespeicherung verwendbar ist, und organische Verbindungen, aus einer Flüssigkeit, der CO₂ (Kohlendioxid) zugesetzt und die dem Sonnenlicht ausgesetzt wird.

Die in der Flüssigkeit enthaltene, CO₂ aufweisende Biomasse ist überwiegend auf der dem Sonnenlicht zugewandten Seite photosynthetisch aktiv und bildet dort ein Gas (Sauerstoff). Die Gasblasen steigen auf der Lichtseite an die Reaktoroberfläche und bewegen die Flüssigkeit nach oben, während von der lichtfernen Seite Flüssig­ keit nachströmt. Es wurde festgestellt, daß eine Gasproduktion von 2 l/m²h eine Strömungsgeschwindigkeit von 2 cm/s bewirkt. Diese Geschwindigkeit reicht für die Mikroorganismen aus, um die Stofftransportvorgänge zu gewährleisten.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellter Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen kombinierten Doppel-Photobioreaktor,

Fig. 2 den Doppel-Photobioreaktor der Fig. 1 mit einer zusätzlichen Verbindungslei­ tung und einer photoelektrochemischen Zelle,

Fig. 3 den Doppel-Photobioreaktor der Fig. 2 in abgewandelter Bauart und

Fig. 4 eine Trennwand 5 bzw. 6.

Fig. 1 zeigt eine Kombination zweier Photobioreaktoren 1, 2, die jeweils aus einem Gehäuse 3, 4 bestehen, deren dem Sonnenlicht zugewandten Wände aus lichtdurchlässigem Werkstoff bestehen. Diese sind jeweils durch mindestens eine, im vorliegenden Fall jeweils nur eine Trennwand 5 bzw. 6 aus lichtdurchlässi­ gem Werkstoff in Kammern 7, 8 bzw. 9, 10 unterteilt. Die Trennwände 5, 6 enden un­ ten und oben jeweils mit Abstand vom Gehäuse 3 bzw. 4, so daß sich für beide Pho­ tobioreaktoren 1, 2 eine um die Trennwände 5 bzw. 6 geführte Strömungsbahn er­ gibt.

Die Photobioreaktoren 1, 2 stehen vorzugsweise in einem Winkel von 45-90° zur Horizontalen, wobei die lichtdurchlässige Außenwandung 11 des lichtseitigen Pho­ tobioreaktors 1 den einfallenden Sonnenlichtstrahlen 13 ausgesetzt ist. Die Zwi­ schenwand 12 der beiden Photobioreaktoren bildet an der Unterseite der Gehäuse 3, 4 eine verschließbare Verbindung 14 zum Photobioreaktor 2. Die Zwischenwand 12 bildet vor der Oberseite der Gehäuse 3, 4 einen verschließbaren Überlauf 15 zum Photobioreaktor 2.

Am oberen Ende des Photobioreaktors 1 befindet sich eine Abzugsöffnung 16 für Gas, im vorliegenden Fall für Sauerstoff. Am oberen Ende des Photobioreaktors 2 befindet sich eine Abzugsöffnung für Gas, in diesem Fall für Wasserstoff. Etwas un­ terhalb der Flüssigkeitsoberfläche des Photobioreaktors 1 ist eine verschließbare Abzugsöffnung 18 für Biomasse vorgesehen. Ferner weist dieser Photobioreaktor 1 an seiner Vorderwand 11 eine Zulauföffnung 19 für Substrat und eine Zuführöffnung für Gas, z. B. Kohlendioxid auf.

Das Sonnenlicht 13 ist voll auf den Photobioreaktor 1 gerichtet, wobei die Strahlen bis auf die Trennwand 6 des rückwärtigen Photobioreaktors durchgehen.

Die Trennwand 5 im Photobioreaktor 1 ist vorzugsweise mit Algen (Grünalgen) 21 besiedelt, wodurch die Trennwand 5 für Sonnenstrahlen, auf die diese Algen reagie­ ren, undurchlässig ist. Dieser Bereich liegt zwischen 430 und 680 nm.

Auf der Trennwand 6 sind vorzugsweise Purpur- oder Cyanobakterien 22 angesie­ delt, die unter Freisetzung von Wasserstoff auf die Bestrahlung der durch die Trennplatte 5 gefilterten Sonnenstrahlen reagieren. Sie entnehmen dem Flüssig­ keitsstrom die organischen Verbindungen, die über die Verbindung 14 wieder in den Photobioreaktor 1 gelangen, der die für die Bakterien des Photobioreaktors erforder­ lichen Kohlehydrate herstellt.

Auf diese Weise gelangen die Substanzen des Photobioreaktors 1 über den Über­ lauf 15 in den Bereich des Photobioreaktors 2 und von diesem wieder zurück, wobei der Photobioreaktor als Lichtfilter arbeitet.

Fig. 2 zeigt eine ähnliche Vorrichtung wie Fig. 1. Soweit sie hiermit übereinstimmt, sind die gleichen Bezugszeichen verwendet und es gilt die Beschreibung zu Fig. 1.

Dem lichtseitigen Photobioreaktor 1 ist eine photoelektrochemische Zelle 23 vorge­ schaltet. Diese kann vor der lichtdurchlässigen Vorderwand 11 angeordnet sein oder, wie Fig. 3 zeigt, einen Teil dieser Vorderwand 11 bilden. Sie weist Pole 24 auf, die mit Leitungen 25 zu einem Stromverbraucher 26, in diesem Falle einer Umwälz­ pumpe führen können.

Die Umwälzpumpe 26 ist an eine zusätzliche Verbindungsleitung 27 zwischen den beiden Photobioreaktoren 1, 2 angeschlossen, mit der die Strömungsgeschwindigkeit beeinflußt werden kann.

Die photoelektrochemischen Zelle 23 wirkt auch hier als Lichtfilter für den von der Zelle 23 ausgenutzten Spektrumsbereich < 450 nm. Eine Abschattung gegenüber kurzwelligen Sonnenstrahlenanteilen wirkt sich positiv auf die Tätigkeit der Mikroor­ ganismen aus. Deshalb ist hier die Kombination sinnvoll und ist keine reine Aggre­ gation.

Fig. 4 zeigt eine Trennwand 5 bzw. 6, die zur Oberflächenvergrößerung mit Unebenheiten, Lamellen oder Ausstülpungen 28 oder dgl. versehen ist.

Mit Hilfe der beschriebenen Vorrichtungen lassen sich jeweils unterschiedliche Wel­ lenlängenbereiche des Sonnenlichtspektrums verwerten, so daß sich günstige Wir­ kungsgrade für die gesamte Vorrichtung ergeben. Ggf. läßt sich auch bei diesen Energieumwandlungen entstehende Prozeßwärme ausnutzen.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff, Sauerstoff und Biomasse durch Einwirkung des Sonnenlichtes, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei hintereinander geneigt oder lotrecht angeordnete, hohlkammerförmige Photobioreaktoren (1, 2) vorgesehen sind, die jeweils durch mindestens eine oben und unten mit Abstand vom Reaktorgehäuse (3, 4) endende Trennwand (5, 6) in Klammern (7, 8; 9, 10) unterteilt sind, wobei die Trennwände (5, 6) sonnenseitig mit jeweils auf unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichtes (13) reagierenden Mikroorganismen (21, 22) besetzt sind,
daß die Trennwände (5, 6) der Photobioreaktoren (1, 2), die der Sonnenseite zugewandte Wand (11) des Photobioreaktors (1) und die zwischen beiden Photobioreaktoren (1, 2) befindliche Trennwand (12) aus lichtdurchlässigem Werkstoff bestehen,
daß an den oberen Enden der Photobioreaktoren (1, 2) Auslässe (17, 16, 18) für Wasserstoff, Sauerstoff und Biomasse vorgesehen sind und daß an den oberen und unteren Enden der Photobioreaktoren (1, 2) verschließbare Zwischenverbindungen (14, 27) zwischen den Photobioreaktoren (1, 2) vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsverbindungen am oberen Ende der Photobioreaktoren (1, 2) als Überlauf (15) ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem sonnenseitigen Photobioreaktor (1) eine photoelektrochemische Zelle (23) vorgeordnet ist, deren elektrische Pole (24) mit dem Stromverbraucher (26) verbindbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrochemische Zelle (23) einen Teil der lichtseitigen Gehäusewandung (11) des lichtseitigen Photoreaktores (1) bildet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Enden der Photobioreaktoren (1, 2) durch eine Leitung (27) verbunden sind, wobei die Pumpe (26) in den jeweils lichtfernen Photobioreaktor (2) fördert.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroorganismen des lichtseitigen Photobioreaktors (1) Algen (21) und die des bzw. der nachgeordneten Photobioreaktoren (2) Bakterien (22), insbesondere Purpurbakterien, sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwände (5, 6) Unebenheiten oder Ausstulpungen (28) zur Vergrößerung ihrer Oberflächen aufweisen.

8. Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff, Sauerstoff und Biomasse durch Einwirkung des Sonnenlichtes, dadurch gekennzeichnet, daß Photobioreaktoren (1, 2) mit dem Strömungsbild von Schlaufenreaktoren und mit Mikroorganismen (21, 22) besetzt, die von Reaktor zu Reaktor auf unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichtes (13) reagieren, hintereinander so angeordnet und miteinander verbunden werden, daß Produkte des einen Photobioreaktors in den benachbarten Photobioreaktor eingeleitet und dort weiterverarbeitet werden.