DE4126503A1

DE4126503A1 - Verfahren zur schadstoffarmen versorgung von gewaechshaeusern mit kohlendioxid durch abgase der erdgasverbrennung

Info

Publication number: DE4126503A1
Application number: DE19914126503
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr Soyez; Dietrich Dr Wagler; Michael Dr Prause; Karin-Dagmar Dr Wendlandt
Original assignee: INST BIOTECHNOLOGIE LEIPZIG
Current assignee: SOYEZ, KONRAD, DR.-ING., 10178 BERLIN, DE PRAUSE,
Priority date: 1990-08-16
Filing date: 1991-08-07
Publication date: 1992-02-27
Also published as: DD297051A5

Description

Es ist bekannt, Pflanzenkulturen in Gewächshäusern zur Ertrags steigerung mit CO₂ zu versorgen, indem ihnen Abgase der Erdgas verbrennung zugeführt werden. Die Verbrennung kann innerhalb oder außerhalb des Gewächshauses erfolgen. Im ersten Fall werden spezielle Brenner eingesetzt, im zweiten beispielsweise Heizkessel (G. Vogel in "Gemüseproduktion unter Glas und Plasten - natürliche und materiell-technische Voraussetzungen", Deutscher Land wirtschaftsverlag Berlin, 1987).

Obwohl die bekannten Verfahren sauber und leicht zu handhaben sind, weisen sie eine Reihe von Nachteilen auf. So entstehen bei der Verbrennung neben dem erwünschten CO₂ auch immer mehr oder weniger Schadstoffe, vor allem NO_x und CO. Ferner werden mit dem Abgas Reste an unverbranntem Methan aus dem Erdgas eingetragen, die das Pflanzenwachstum beeinträchtigen. Niedrige Brenntemperaturen, wie sie zur Vermeidung von NO_x üblich sind, erhöhen das durch unverbranntes Methan verursachte Risiko der Pflanzenschädigung, und Reinigungsverfahren für die Abgase verbieten sich aus wirtschaftlichen Gründen.

Nachteilig ist weiterhin der geringe energetische Nutzungsgrad der Erdgasdüngung (im Jahresmittel weniger als 30%), da der CO₂- Bedarf entsprechend dem Pflanzenwachstum in Zeiten hoher Sonnen einstrahlung am größten, der durch die Verbrennung zu deckende Wärmebedarf jedoch am geringsten ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Versorgung von Gewächshauskulturen mit CO₂ ein bezüglich des energetischen Wir kungsgrades verbessertes Verfahren anzuwenden, bei dem Abgas der Erdgasverbrennung eingesetzt wird, das weitgehend frei von Schadstoffen, wie Methan oder Stickoxiden, ist.

Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß methanver wertende Mikroorganismen aerob auf Erdgas, dessen Methangehalt mindestens 15 Vol-% beträgt, in Gegenwart von Sauerstoff kultiviert werden. Das Mischungsverhältnis Methan zu Sauerstoff beträgt 0,33 : 1 bis 1,5 : 1. Das nach der Kultivierung verbleibende gasförmige Abprodukt wird ggf. unter Zufuhr von weiterem Sauerstoff und/oder Methan verbrannt und anschließend dem Gewächshaus zugeführt.

Als methanverwertende Mikroorganismen werden Bakterien mit der Stammbezeichnung ZIMET B 502 eingesetzt. Außerdem eignen sich alle methanverwertenden Kulturen, die pflanzenphysiologisch aktive wasserlösliche Substanzen ausscheiden bzw. deren Zellsubstanz für Futterzwecke oder zur Gewinnung von Zellinhaltsstoffen verwendet werden kann.

Im Verlauf des erfindungsgemäß der eigentlichen Verbrennung vor geschalteten Bioprozesses wird der Methananteil des Erdgases unter Bildung von Wasser, Kohlendioxid und mikrobieller Biomasse, ggf. auch weiterer Wertstoffe oder wasserlöslicher Stoffwechsel produkte, oxidiert.

Gemäß Anspruch 3 wird das Verfahren so geführt, daß das quecksilber- und schwefelfreie Erdgas in einer Menge von 8 bis 50 Liter pro Quadratmeter Gewächshausanbaufläche eingesetzt wird und die Methan-Restkonzentration im Abgas 3 Vol-% nicht unterschreitet.

Damit ist gewährleistet, daß die Triebkraft des biologischen Prozesses ausreicht, um wirtschaftlich tragbare Produktivitäten hinsichtlich der Biomasseproduktion zu erreichen.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem Behälter, der die biologisch aktive Kultur in einer Nährlösung enthält und dem Erdgas und Sauerstoff zugeführt werden. Das im Verlauf des Bioprozesses entstehende gasförmige Abprodukt wird dem Behälter ganz oder teilweise entnommen, in eine oder mehrere Brennkammern geleitet und dort ggf. unter Zufuhr weiteren Sauerstoffes und/oder Methans verbrannt. Die entstehenden Abgase werden danach ganz oder teilweise dem Gewächshaus zugeführt.

Als Reaktor empfiehlt sich ein Tauchstrahlreaktor, dessen Größe im Bereich von 1 bis 6 Liter Inhalt pro Quadratmeter Gewächshausfläche liegen sollte.

Die Brennkammer für die Verbrennung des Restgases kann inner- oder außerhalb des zu begasenden Gewächshauses angeordnet und beispielsweise als Gaserzeuger, Wärmekessel, Turbolader oder Kraftmaschine ausgebildet sein. Ihr können neben dem biologisch vorbehandelten Gas weitere Gasmengen zugeführt werden, um den CO₂-Bedarf des Gewächshauses zu decken.

Mit der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden folgende Vorteile erzielt:

- Das bei der kombinierten biologischen und chemischen Umsetzung des Erdgases anfallende Düngegas enthält weitaus weniger Schadstoffe (0,003% Methan) als nach alleiniger Verbrennung (0,01% Methan).
- Da hierbei wenig Wärme freigesetzt wird, kann das erzeugte CO₂ dem Gewächshaus auch bei intensiver Sonneneinstrahlung zugeführt werden, ohne daß Verluste durch temperatursenkendes Ablüften etc. auftreten.
- Das Verfahren wird mit Mikroorganismen durchgeführt, deren Zellsubstanz z. B. für Futterzwecke oder zur Gewinnung von Zell inhaltsstoffen, wie pflanzenphysiologisch aktiven wasserlöslichen Substanzen (Ertragssteigerung) geeignet ist.

Ein Ausführungsbeispiel wird im folgenden näher beschrieben.

In einem Gartenbaubetrieb ist eine Gewächshausfläche von 3590 m² mit CO₂ zu versorgen. Der Bedarf berägt stündlich 10 g/m², entsprechend 35,9 kg/h. Zur Verfügung steht ein schwefel- und quecksilberfreies Erdgas mit einem Methangehalt von 40%. Davon werden stündlich 72,5 m³ sowie 197,5 m³ Luft als Sauerstoffträger einem Tauchstrahlreaktor von 10 m³ zugeführt. Das Mischungsver hältnis von Methan zu Sauerstoff stellt sich auf 0,7 : 1 ein. Damit sind optimale Stoffübergangs- und Reaktionsbedingungen gewährleistet.

Im Reaktor werden methanverwertende Mikroorganismen mit der Kennzeichnung ZIMET B 502 kultiviert. Die Nährlösung enthält für 1 kg BTS-Zuwachs folgende Komponenten:

540 g NH₃ (25%)
51,3 g H₃PO₄ (75%)
35 g KH₂PO₄
25 g MgSO₄×7 H₂O
0,786 g CuSO₄×5 H₂O
1,201 g FeCl₂×4 H₂O
0,322 g ZnCl₂
0,041 g Na₂MoO₄×H₂O
1,833 g MnSO₄×4 H₂O
0,036 g COSO₄×7 H₂O
0,109 g NiSO₄×7 H₂O
0,077 g CrCl₃×6 H₂O
0,186 g Al₂(SO₄)₃×18 H₂O
0,833 g Ca(NO₃)₂×4 H₂O
1,286 g H₃BO₃

Der pH-Wert beträgt 5,7, die Temperatur 38°C und die Verweilzeit 6 h. Stündlich entstehen 12 kg Biomasse und 21,6 kg CO₂.

Das Abgas hat folgende Zusammensetzung:

Sauerstoff\|6,06%
Methan	3,91%
Kohlendioxid	5,89%
Stickstoff	84,14%

Aus der Nachverbrennung des Abgases entstehen weitere 14,3 kg CO₂ pro Stunde. Das Verhältnis des im Bioprozeß umgesetzten Methans zum direkt verbrannten Methan beträgt 3 : 1.

Claims

1. Verfahren zur schadstoffarmen Versorgung von Gewächshäusern mit Kohlendioxid duruch Abgase der Erdgasverbrennung, dadurch gekennzeichnet, daß methanverwertende Mikroorganismen aerob auf Erdgas, dessen Methangehalt mindestens 15 Vol.-% beträgt, in Gegenwart von Sauerstoff bei einem Mischungsverhältnis Methan zu Sauerstoff von 0,33 : 1 bis 1,5 : 1 kultiviert werden, und daß das gasförmige Abprodukt ggf. unter Zufuhr von weiterem Sauerstoff und/oder Methan verbrannt und anschließend dem Gewächshaus zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als methanverwertende Mikroorganismen Bakterien mit der Stammbezeichnung ZIMET B 502 verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß quecksilber- und schwefelfreies Erdgas in einer Menge von 8 bis 50 Liter pro Quadratmeter Gewächshausanbaufläche eingesetzt und das biologische Verfahren so geführt wird, daß die Methan-Restkonzentration im Abgas 3 Vol.-% nicht unterschreitet.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

- einen Behälter, der eine biologisch aktive Kultur aerober, methanverwertender Mikroorganismen in einer Nährlösung enthält,
- eine oder mehrere mit diesem Behälter in Verbindung stehende Brennkammern, die ihrerseits mit dem Gewächshaus bzw. Einrichtungen zur Zwischenlagerung und/oder Konditionierung verbunden sind.