DE4444191C1 - Verfahren zur Abreicherung oder Entfernung von Kohlendioxid aus Abgasen - Google Patents

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Verringerung des sogenannten Treibhauseffektes ist es in der Zukunft dringend erforderlich, den Kohlendioxidausstoß in die Atmosphäre drastisch zu verringern. Dazu sind Be­ strebungen im Gange, die CO₂-Menge bei der Verbrennung fossiler Energieträger durch bessere Wirkungsgrade zu ver­ ringern. Hierdurch kann jedoch allenfalls der CO₂-Ausstoß gegenüber der erzeugten Leistung verringert werden, nicht jedoch dessen absolute Menge. Dazu ist es vielmehr erforder­ lich, entstehendes CO₂ wieder zu fixieren. Es wurde bereits vorgeschlagen, zur CO₂-Fixierung Mikroorganismen zu ver­ wenden, die durch photosynthetische Aktivität CO₂ zu binden in der Lage sind. Insbesondere in Japan sind hier bereits Voruntersuchungen durchgeführt worden. So hat die New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) Anfang der 90er Jahre bereits Programme plaziert, mit denen eine CO₂-Fixierung mit Mikroorganismen, wie Bakterien, erzielt werden soll. Innerhalb des NEDO-Projektes sollten Parameter, wie Verwendung des Lichtes zur CO₂-Fixierung, Auswahl der Mikroorganismen selbst, das Zusammenspiel ver­ schiedener Faktoren, optimiert werden. Von einer technischen Anwendung erscheint dieses Projekt jedoch noch relativ weit entfernt zu sein, da nach eigenen Angaben eine Nutzung nicht vor der Jahrtausendwende zu erwarten ist (Broschüre des NEDO).

Die DE 34 15 970 A1 betrifft ein Verfahren zum Sammeln und Speichern von Kohlendioxid. Zur Begasung insbesondere von Pflanzen mit Kohlendioxid durchläuft das aus einer Ver­ brennungsanlage entnommene Rauchgas nach entsprechender Gasaufbereitung mehrere Adsorptionsmittelpatronen, in denen das Kohlendioxid gespeichert und gleichzeitig von Kohlen­ monoxid und anderen Schadstoffen getrennt wird. Durch Spülen mit z. B. Raumluft wird das Kohlendioxid wieder freigesetzt (Desorption) und steht für die Pflanzenbegasung unmittelbar zur Verfügung. Die Adsorptionsmittel sind durch entsprechende Temperaturbehandlung regenerierbar.

Bei der technischen Realisierung der CO₂-Fixierung mittels Mikroorganismen, insbesondere den empfindlichen Algen, ist es erforderlich, das Rauchgas mit den Organismen in Kontakt zu bringen, ohne diese zu schädigen. Insbesondere dürfen keine toxischen Effekte auf die Mikroorganismen ausgeübt werden, die zu einem Absterben der Kulturen und somit zu einer Störung der CO₂-Fixierung führen wurden.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß bei der Einleitung von Rauchgasen in einen Algen enthaltenden Reaktor eine hervorragende CO₂-Fixierung erfolgt, wenn das Rauchgas vorher gekühlt wird, um Schwefeloxide des Rauchgases zu konden­ sieren. Dabei wird das Rauchgas aus Großfeuerungsanlagen nach einer Entschwefelungsanlage abgezweigt und in den Reaktor geführt, nachdem es so lange und so weit gekühlt wurde, bis der Restschwefeloxidgehalt durch Kondensation weiter ver­ ringert wurde.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren bereitgestellt zur Ab­ reicherung oder Entfernung von Kohlendioxid in Abgasen von Verbrennungsanlagen unter Ausnutzung von CO₂-fixierenden Eigenschaften von Algen.

Erfindungsgemäß wird das Abgas nach einer Rauchgasent­ schwefelung entnommen und vor der Einleitung in einen ge­ schlossenen, die Algen enthaltenen Reaktor, so weit und so lange gekühlt, wie dies zur Kondensation des Restschwefel­ oxids (üblicherweise als SO₂) erforderlich ist. Dabei sollte der SO₂-Anteil vorzugsweise auf einen Mittelwert von etwa 100 mg pro m³ oder darunter reduziert werden. Üblicherweise weist Rauchgas vor der Rauchgasentschwefelung im Mittel über 1.400 mg/m³ auf. Nach der Rauchgasentschwefelung reduziert sich dieser Wert auf etwa 100 mg/m³. Durch die erfindungsgemäß durchzuführende Abkühlung des Rauchgases kondensiert daraus eine wäßrige Fraktion, die mit Schwefeloxiden bzw. deren korrespondierenden Säuren angereichert ist. Dieses Kondensat wird nicht in den Reaktor, der die Algen enthält, geleitet.

Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, daß das Spektrum der für die CO₂-Fixierung in Frage kommenden Algen erheblich vergrößert wird, da auch Algen mit geringerer pH-Toleranz, wie die meisten Süßwasseralgen, kultiviert werden können. Dadurch, daß eine Kondensation des Rauchgases erfolgt, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auch die Verwendung von Rauchgas mit weniger effizienten Entschwefelungsver­ fahren.

Die Abgase können dabei aus technischen Großfeuerungsanlagen, wie Kraftwerken, Fernheizwerken, Müllverbrennungsanlagen oder Haushaltsheizungen sowie Verbrennungsmotoren, stammen. Aufgrund der effizienten CO₂-Fixierung mittels der Algen, lassen sich dezentrale CO₂-Fixierstationen schaffen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Abgas vor Einleitung in den Algen ent­ haltenen Reaktor durch eine Einrichtung geführt, in der ein Fluidum dem Abgas zur Steuerung des CO₂-Gehaltes zumischbar ist. Dadurch ist es möglich auch Algen zur CO₂-Fixierung zu verwenden, denen an sich hohe CO₂-Konzentrationen schädlich sind. Als Fluidum kommt insbesondere Umgebungsluft in Frage, die gegebenenfalls steril in die Einrichtung eingeleitet wird.

Insgesamt weist das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil auf, daß es eine Vielzahl von verschiedenen Algenspezies der Rauchgas-CO₂-Minderung zugänglich macht. Dies ist deshalb von besonderer Bedeutung, da in den einzelnen CO₂-Abreicherungs­ stationen verschiedene Algen mit verschiedenem Produkt­ spektrum eingesetzt werden können. So kann beispielsweise in einem Teil Biomasse erzeugt werden, wohingegen in einem anderen Teil der CO₂-Abreicherungsanlage Algen eingesetzt werden, die wertvolle Metaboliten, wie Arzneistoffe, wert­ volle Nahrungsergänzungsmittel, etc., herstellen.

Üblicherweise verwenden die Algen zur CO₂-Fixierung Licht des sichtbaren Spektralbereiches. Dabei erfolgt die Abreicherung des CO₂ aus dem Abgas durch Fixierung des CO₂ mittels der Photosynthese. Die Algen benutzen die Photosynthese zum Wachstum und zur Herstellung von Metaboliten.

So gewährleistet das erfindungsgemäße Verfahren gewünschten­ falls die ausschließliche Erzeugung von Biomasse, die dann nach verschiedenen Verfahren weiterverarbeitet wird, je nach dem, ob sie als Futtermittel oder als Brennstoff wiederum in Kraftwerken eingesetzt wird. Die erzeugte Biomasse wird unabhängig von ihrer Verwendung geerntet und getrocknet, woraufhin sie dann ihren weiteren Verwendungszwecken zu­ geführt werden kann. Die Biomasse kann auch als Ausgangs­ produkt zur Isolierung von wertvolleren Zellinhaltsstoffen, wie Proteinen, Zucker und anderen Nahrungsstoffen oder auch pharmazeutischen Wirkstoffen aufgearbeitet werden. Geben die Algen Sekundärmetaboliten an die Kulturflüssigkeit ab, kann auch die Kulturflüssigkeit vorzugsweise kontinuierlich bearbeitet werden, beispielsweise durch Ultrafiltration oder Festphasenextraktion, um die in die Kulturflüssigkeit ab­ gegebenen Inhaltsstoffe zu isolieren.

Die Algen werden vorzugsweise in geschlossenen Reaktoren kultiviert, in die durch Lichtleiter entweder natürliches Licht oder Lampenlicht geeigneter Emissionscharakteristik eingestrahlt wird.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher erläutert.

Die Alge Haematococcus lacustris wird mit verschiedenen CO₂­ haltigen Gasen behandelt und der Einfluß auf deren Wachstum (Maß für CO₂-Fixierung) untersucht. Die Algen werden im Medium WEES (modifiziert, Kies 1967) gehalten. Die Kulti­ vierung der Algen erfolgt in gläsernen Kulturröhrchen von etwa 40 cm Länge und 3,5 cm Durchmesser. Die Kulturröhrchen sind mit Rauchgas beschickbar. Die Belichtung der Algen­ kulturanlage erfolgt mittels Neonleuchten. Die Temperatur wird durch ein Wasserbad eingestellt. Die Temperatur liegt bei allen Versuchen bei 25°C und der Volumenstrom der Belüftung beträgt ca. 10 l pro Stunde. Die Beleuchtung erfolgt mit fünf Neonlampen Sylvania universal white ES- Standard F 36 W/125 lm sowie Osram L 36 W 30-1 Warmton. Die Lichtintensität beträgt 20 W/m².

Das Rauchgas strömt in die Algenkultur. Es werden die folgen­ den fünf Kultivierungen durchgeführt:

• 1. Begasung der Algen mit reiner Luft
• 2. Begasung mit CO₂ synthetisch/Luft (15% CO₂)
• 3. Begasung mit Rauchgas (14,5% CO₂)
• 4. Begasung mit CO₂ synthetisch/Luft (7,5% CO₂)
• 5. Begasung mit Luft/Rauchgas 1 : 1 (7,5% CO₂)

Bei der ersten Kultivierung ergibt sich eine relativ schlechte Wachstumskurve, da neben dem Nachteil des weiten Überschreitens des pH-Optimums, große Probleme mit Schaum­ bildung auftreten.

Die Zweitkurve zeigt, daß hohe CO₂-Konzentrationen einen wachstumshemmenden, möglicherweise sogar toxischen Effekt auf die verwendeten Algen haben können. Wird hingegen gemäß der Erfindung Rauchgas in einer Menge von etwa 14,5% einge­ setzt, zeigt sich im Gegensatz zur Verwendung von reinem CO₂ ein verbessertes Ergebnis. Überraschenderweise scheint also das Rauchgas einen wachstumsfördernden Einfluß auf die Algen auszuüben.

Im Gegensatz zum Beispiel 2 zeigen die Kultivierungen bei einer Begasung eines Gemisches Rauchgas zu Luft 1 : 1 (7,5% CO₂) ein besseres Wachstum als die hohe CO₂-Konzentration.

Daraus ergibt sich für den Fachmann, daß das Wachstum der zu verwendenden Algen jeweils optimiert werden kann, indem vorzugsweise die Konzentration des CO₂ variiert wird.

Claims (3)

1. Verfahren zur Abreicherung oder Entfernung von Kohlendioxid aus Abgasen von Verbrennungsanlagen mittels Photosynthese durch CO₂-fixierende Algen, dadurch gekennzeichnet, daß man das Abgas nach einer Rauchgasentschwefelung soweit wie zur Kondensation des Restschwefeloxids (SO₂) erforderlich kühlt und in einen geschlossenen Reaktor, welcher die Algen enthält, einleitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Abgas vor Einleitung in den Algen enthaltenden Reaktor ein Fluidum zur Steuerung des CO₂-Gehaltes zumischt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Licht für die Photosynthese aus natürlichem Licht oder Lampenstrahlung mit geeignetem Emissionsspektrum entnimmt.