DE4126703C1 - Bio-collector for simultaneous hydrogen@ and heat generation - comprises hollow panel sepd. into bio-reactor exposed to solar radiation, and non-irradiated enzyme reactor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Biokollektor zur gleichzeitigen Erzeugung von Wasserstoff und Wärme.

Im Hinblick darauf, daß der Vorrat an fossilen Energieträgern begrenzt ist und ihre Verarbeitung in vielen Fällen Umwelt­ schutzprobleme bewirkt, ist zur Zeit eine Entwicklung im Gange, Wasserstoff als Energieträger herzustellen, wobei möglichst das Sonnenlicht oder andere natürliche Energien benutzt werden sollen. Hierzu gehören Verfahren, bei denen mittels photovolta­ ischer Elemente durch Wasserelektrolyse Wasserstoff dargestellt wird.

Ein anderes Verfahren wäre die Ausnutzung eines Teiles der pflanzlichen Photosynthese, bei der Wasser mittels Lichtenergie in seine Bestandteile aufgespalten wird. Hierbei besteht eine wesentliche Schwierigkeit darin, daß die durch Lichtenergie in zwei Photosystemen angeregten Elektronen, die in der Natur zur Herstellung von Kohlehydraten dienen, beim künstlichen Verfah­ ren mittels eines sehr sauerstoffempfindlichen Enzyms meist bakteriellen Ursprunges zur Erzeugung von molekularem Wasser­ stoff genutzt werden sollen. Da bei dieser Art der Photosynthe­ se durch Hydrolyse Sauerstoff entsteht (daher die Bezeichnung "oxygene Photosynthese"), ist die Halbwertzeit der bakteriellen Hydrogenase sehr gering.

Ein anderes Verfahren wäre die "anoxygene" Photosynthese.

Hierbei fehlt den Bakterien ein Photosystem, so daß sie statt Wasser nur stärker reduzierte organische Verbindungen, Schwe­ felwasserstoff oder auch Wasserstoff als Elektronendonatoren verwenden können.

Hierbei bestehen bisher folgende Probleme:
Das Substratspektrum der meisten phototrophen Bakterien ist eng, so daß viele, an sich interessante Kohlehydrate (Stärke, Zellulose, Lignin) nicht verwertbar sind. Die Wasserstofferzeu­ gung ist überdies relativ gering, was auf eine niedrige Konzentration der Biomasse zurückgeführt wird. Selbst Versuche, die Zellen zur Biomasseanreicherung zu immobilisieren, führte nur teilweise zu besseren Wirkungsgraden, ist aber unter anaeroben Bedingungen recht aufwendig und daher für die Großherstellung unwirtschaftlich.

Nicht immobilisierte Zellen können in einer kontinuierlichen Kultur nicht in Mischkultur gehalten werden, da nur der Stamm mit der höchsten Affinität zum Substrat erhalten bleibt. Es wäre aber sinnvoll, das gesamte Lichtspektrum von 350-1050 nm zu erfassen, was nur mit Einsatz verschiedener Stämme durch­ führbar wäre.

Will man nichtsteriles Abwasser als Substrat verwenden, besteht eine große Infektionsgefahr bei konventionellen Fermentations­ verfahren.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Biokollektor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem es unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile möglich ist, Wasserstoff und Wärme in einer wirtschaftlich vertretbaren Weise zu erzeugen und auch die Verwendung von organischen Stoffen zu ermöglichen, die bisher nicht möglich war.

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1.

Dieser Biokollektor ermöglicht die Erzeugung von Wasserstoff als Energieträger z. B. für Motorenantriebe oder dgl. oder zur Erzeugung von elektrischer Energie sowie die Ausnutzung der Reaktionswärme für Heizungszwecke oder anderweitige Energieum­ wandlung. Diese duale Energieerzeugung macht den Biokollektor besonders wirtschaftlich, da er mit hohem Wirkungsgrad arbei­ tet. Er erbringt etwa die gleiche elektrische (Wärme-)Energie wie reine Solarkollektoren und ist somit also etwa dreimal so ertragreich wie photovoltaische Kollektoren und liefert über­ dies eine Wasserstoffmenge, die photovoltaische Kollektoren liefern, wenn sie keine Wärmeenergie liefern.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gegeben.

Nachstehend ist die Erfindung beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Fließbilddarstellung des Verfahrens,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Biokollektor nach der Linie II-II in Fig. 1.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Haus, dessen eine Dachseite mit einer Vielzahl miteinander verbundener, dem Sonnenlicht 1 ausgesetzter Biokollektoren 2 belegt ist, deren Aufbau im Einzelnen erläutert wird.

In den Biokollektoren 2 wird Wasserstoff erzeugt und über eine Leitung 3 einem Langzeit-Wasserstoffspeicher 4 zugeführt. Von diesem Langzeit-Wasserstoffspeicher 4 kann Wasserstoff zur Erzeugung von elektrischer Energie 5 und/oder als Kraftstoff für Motoren oder dgl. 6 oder auch über die Leitung 7 zu Heizungszwecken abgezogen werden.

Da im Biokollektor 2 durch die Sonnenbestrahlung Wärme entsteht, kann über einen, in Fig. 1 nicht dargestellten Wärmetauscher in bekannter Weise warmes Wasser 8 einem Kurzzeitwärmespeicher 9 zugeführt werden, von dem es als warmes Brauchwasser 10 oder zu Heizungszwecken 11 abgezogen werden kann.

Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau eines möglichen Biokollek­ tors 2 in geschnittener Darstellung.

Der Biokollektor 2 besteht im wesentlichen aus einem platten­ förmigen Hohlkörper, dessen Ober- und Unterseiten 12 bzw. 13 in einem spitzen Winkel β (z. B. der Neigung eines Hausdaches) zur einen, unteren Schmalseite 14 geneigt angeordnet sind. Die andere, obere Schmalseite 15 kann parallel zur unteren Schmalseite 14 oder auch rechtwinklig zuden Ober- und Untersei­ ten 12, 13 angeordnet sein.

Der Hohlkörper wird durch eine sich längs durch den Biokollek­ tor parallel zu den Ober- und Unterseiten 12, 13 erstreckende Trennwand 16 aus lichtundurchlässigem Werkstoff in eine obere, vom Sonnenlicht bestrahlte Kammer, den Bio-Reaktor 17 und eine untere, unbelichtete Kammer, den Enzymreaktor 18 unterteilt. Die Oberseite 12 besteht aus lichtdurchlässigem Werkstoff, z. B. Glas oder Kunststoff (Acrylglas oder dgl.).

Die Trennwand 16 endet mit Abstand vor der unteren Schmalseite 14 und oben vor der oberen Schmalseite 15, so daß dort eine offene Verbindungen zwischen dem Enzymreaktor 18 und dem Bio-Reaktor 17 gebildet werden.

Am oberen Ende weist die Trennwand 16 einen in den Enzymreaktor 18 abknickenden Teil auf, der eine Leitwand 19 für die Rückführung einer im Biokollektor befindlichen Substratlösung bildet. Ferner ist im oberen Teil des Bio-Reaktors 17 mit Abstand von der Trennwand 16 eine zur Oberseite 12 geneigt angeordnete weitere Leitwand 20 zugeordnet.

Am oberen Ende des Bioreaktors ist eine Abzugöffnung 21 für Wasserstoffgas 27 vorgesehen. Ferner sind am oberen Ende des Enzymreaktors 18 eine Überlauföffnung 22 sowie eine Zulauflei­ tung 23 für biologisches Substrat vorgesehen.

An der Unterseite 13 des Biokollektors 2 ist ein Wärmetauscher 24 üblicher Bauart angeordnet. Anstelle oder zusätzlich zu diesem kann auch die Trennwand 16 als Wärmetauscher ausgebildet sein.

Im unbelichteten Enzymreaktor 18 befinden sich Enzyme 25 (Amylasen, Glycosidhydrolasen, Cellulasen) in immobilisierter Form. Durch die Zulaufleitung 23 wird eine Suspension von Wasser und Substratpolymeren, z. B. organischen Abfallstoffen (Stärke, Zellulose oder dgl.) zugeführt.

Diese Suspension, bei der als Substrat z. B. Maltodextrin und als Enzym quervernetzte Amyloglucosidase verwendet werden können, wird von den Enzymen aufgeschlossen.

Das Enzym Amyloglucosidase kann beispielsweise quervernetzt und durch grobmaschi­ ge, nicht dargestellte Filter an der Rückseite des Enzymreak­ tors 18 gehalten werden. Infolge der Schwerkraft strömt die Suspension zum unteren Ende des Enzymreaktors 18 und gelangt um die Trennwand 16 in den dem Licht ausgesetzten Bio-Reaktor 17. Da infolge der Sonnenbestrahlung des Biokollektors 2 Wärme entsteht, steigt die Suspension im Bio-Reaktor 17 bis zur Leitwand 20 und um die Leitwand 19 im Rahmen einer Art Zwangsströmung in den Enzymreaktor 18. Diese Strömung ent­ spricht derjenigen eines "Schlaufenreaktors".

In dem dem Sonnenlicht ausgesetzten Bio-Reaktor 17 befinden sich flockende Mikroorganismen 26, z. B. Rhodomicrobium, Rhodo­ spirillum oder Rhodopseudomonas. Diese bewirken eine Abspaltung von Wasserstoff aus der zugeführten, von den Enzymen aufgespal­ tenen Suspension. Das sich entwickelnde Wasserstoffgas 27 wird an der Abzugöffnung 21 abgenommen, nachdem es vorher durch die Leitwand 20 abgeleitet ist. Der Reaktorkopf hat eine sogenannte Settlerfunktion und bewirkt diese Abscheidung der Gasbläschen durch eine Anderung der Strömungsgeschwindigkeit. Das verblei­ bende Substrat strömt erneut in den Enzymreaktor 18 und wird dort durch Zugabe weiteren Substrats angereichert.

Auf dem Weg durch den unbelichteten Enzymreaktor 18 wird die Suspension durch den Wärmetauscher 24 abgekühlt und gelangt zum unteren Ende des Enzymreaktors 18. Die gewonnene Wärmeenergie kann anderweitig genutzt werden.

Die das Substrat aufschließenden Enzyme unterliegen normaler­ weise einer Endprodukthemmung. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird diese Endprodukthemmung für die Selbstregulie­ rung des gesamten Systems ausgenutzt. Proportional zur Wasser­ stofferzeugung steigt auch die Umlaufgeschwindigkeit der Suspensionsflüssigkeit und damit auch die pro Zeiteinheit aus den Polymeren bzw. Oligomeren freigesetzte verwertbare Sub­ stratmenge. Die aktive Biomasse verbraucht das Endprodukt der Enzymreaktion und hebt so die Nachteile der Endprodukthemmung auf.

Die gleichzeitige Anwendung der Enzymreaktion mit immobilisier­ ten Enzymen und die Einwirkung der Mikroorganismen ermöglicht es somit, kontinuierlich oder zumindest semikontinuierlich zu arbeiten, wobei sich eine Anreicherung der Biomasse ergibt.

Da es sich um ein kontinuierliches System mit Biomasserückhal­ tung handelt, ist es auch möglich, mit Mischkulturen zu arbeiten, d. h. mit Mikroorganismen, die auf unterschiedliche Anteile des Lichtspektrums ansprechen. Damit ist es möglich, auch organisches Material zu verwerten, das bisher nicht nutzbar war. In normalen kontinuierlichen Systemen ist die Anwendung von Mischkulturen nicht möglich, weil stets eine Selektion auf die Mikroorganismen mit der höchsten Substrataf­ finität stattfinden würde.

Die Flockung als "natürliche" Weise der Immobilisierung hat den Vorteil, daß keine Manipulationen an den anaeroben Mikroorga­ nismen erforderlich sind, bei denen erfahrungsgemäß die Aktivität der Mikroorganismen zurückgeht.

Anstelle organischer Substanzen kann auch in Wasser gelöster Schwefelwasserstoff zugeführt werden. Dieser durchläuft den Enzymreaktor 18 und wird von den im Bio-Reaktor 17 befindlichen Mikroorganismen unmittelbar aufgespalten.

Claims (6)

1. Biokollektor zur gleichzeitigen Erzeugung von Wasserstoff und Wärme aus organischen Stoffen und/oder Schwefelwasser­ stoff, gekennzeichnet durch einen lichtgeschützten Enzymreaktor mit immobilisierten Enzymen und einen nachgeordneten und mit diesem in Strö­ mungsverbindung stehenden, unter Lichteinwirkung stehenden, mit flockenden Mikroorganismen besetzten Bio-Reaktor, wobei der Enzymreaktor (18) eine Zulauföffnung (23) für Substrat und eine Ablauföffnung (22) für verbrauchtes Material und der Bio-Reaktor (17) eine Abzugöffnung (21) für Wasserstoff (27) aufweisen und der Enzymreaktor (18) mit einem Wärmetau­ scher (24) verbunden ist.

2. Biokollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als plattenförmiger, eine ihn durch mindestens eine Trenn­ wand (16) in den Bio-Reaktor (17) und den Enzymreaktor (18) unterteilten Hohlkörper nach Art eines Schlaufenreaktors ausgebildet ist.

3. Biokollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er im spitzen Winkel (β) zur Horizontalen geneigt angeordnet ist.

4. Biokollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er in seinem oberen Teil Leitwände (20, 19) zur Abführung des Wasserstoffgases (27) und zur Umführung der Substratlösung aufweist.

5. Biokollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (24) an der Unterseite (13) des Enzymreaktors (18) angeordnet ist.

6. Biokollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (16) als Wärmetauscher ausgebildet ist.