DE69813811T2 - Verfahren zur behandlung von kohlendioxid mit carboanhydrase - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Extraktion, Herstellung und Reinigung von Kohlendioxidgas. Insbesondere betrifft sie die Verwendung eines biologischen Moleküls, nämlich von Carboanhydrase, um die umkehrbare Hydratation von Kohlendioxid zu bewirken. Carboanhydrase kann für die Herstellung, Reinigung von Kohlendioxid und den Produkten der Hydratationsreaktion, von Wasserstoff- und Bicarbonationen verwendet werden. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, durch welches innerhalb einer Reaktorvorrichtung enthaltene immobilisierie Carboanhydrase die umkehrbare Hydratation von Kohlendioxid katalysiert. Das Verfahren kann für die Herstellung von Wasserstoff- und Bicarbonationen eingesetzt werden.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Carboanhydrase (EC 4.2.1.1.) ist ein globulares Zinkmetalloenzym mit einer molekularen Masse von 30.000. Das Enzym wurde 1933 entdeckt und wurde zum Gegenstand intensiver wissenschaftlicher Forschungen. Mehrfache Isoformen wurden in Pflanzen und tierischen Geweben entdeckt. Das Enzym existiert auch in Pflanzengeweben, wo man annimmt, dass es den Transport von Kohlendioxid erleichtert. Rote Blutzellen enthalten Isoenzyme I und II, welches die aktivsten sind. Carboanhydrase II besitzt die höchste molekulare Turnoverzahl jeglicher bekannter Enzyme. Ein Molekül von Carboanhydrase kann 36.000.000 Moleküle von Kohlendioxid in einem Zeitraum von 60 Sekunden hydratisieren. Physiologisch erleichtert die Carboanhydrase die Entfernung von Kohlendioxid aus dem Körper eines Säugers. Die allgemeine Enzymreaktion ist weiter unten in Gleichung 1 gezeigt.
  • Gleichung 1: CO2 + H2O ⇔ H+ + HCO3
  • Es ist nun allgemein akzeptiert, dass die Reaktion als zwei halbe Reaktionen erfolgt, wie unten stehend in den Gleichungen 2 und 3 gezeigt.
  • Gaeichung 2: E-Zn-H2O ⇔ E-Zn-OH- + H+
  • Gleichung 3: E-Zn-OH- + CO2 ⇔ E-Zn-HCO3 - ⇐ (+H2O-H2O) ⇒ E-Zn-H2O +HCO3
  • Carboanhydrase wurde in vielen Untersuchungen verwendet, die auf die Verbesserung oder das Testen von verschiedenen Verfahren zur Proteinimmobilisierung abzielten. Die hohe molekulare Turnoverrate des Enzyms macht es zu einem idealen Protein für diese Arten von Experimenten.
  • Das Vorhandensein von Carboanhydrase in Lösung erleichtert die Übertragung von Kohlendioaid von dem Gas zu der flüssigen Phase. Diese Wirkung basiert auf den allgemein nachgewiesenen Gesetzen, welche die Masseübertragung von Gasen bestimmen.
  • Das Management bzw. die Entsordung von Kohlendioxid begann die Aufmerksamkeit: der Wissenschaftlergemeinde auf sich zu ziehen, in erster Linie aufgrund des Problem der globalen Erwärmung. Das bisherige Interesse an Kohlendioxid war auf den Einsatz des Gases in einer Vielzahl von industriellen Prozessen konzentriert. Keines der derzeit angewandten Kohlendioxid-Managementsysteme beinhaltet die enzymatische Umwandlung des Gases und ist daher für die vorliegende Anmeldung nicht relevant. Verfahren des Stands der Technik für die Entsorgung von Kohlendioxid sind in den folgenden US-Dokumenten,beschrieben: 3 659 400; 3 853 712; 4 032 616; 4 047 894; 4 162 298; 4 452 676; 4 521 387; 4 710 362; 5 061 455; 5 112 740; 5 609 838; 5 618 506; 5 624 812; 5 665 319; 5 674 463; und 5 690 099.
  • Ebenfalls bekannt ist im Stand der Technik das in der WO 96/40414 im Namen von Trachtenberg offenbarte Verfahren. Trachtenberg offenbart ein Verfahren für die Gas(ab)trennung, in welchem ein ausgewähltes Gas in einem gemischten Gasstrom durch ein Enzym mit einer direkt durch den gemischten Gasstrom kontaktierten aktiven Stelle kontaktiert wird und das gewählte Gas zumindest teilweise aus dem gemischten Gasstrom entfernt wird.
  • Die EP 511 719 offenbart ein Verfahren, in welchem Kohlendioxid aus einem Gasstrom unter Einsatz eines Enzymreaktors entfernt wird, in welchem Carboanhydrase auf einem porösen Substrat immobilisiert wird.
  • Außerdem führte die US-Luftwaffe 1965 und 1966 zwei Untersuchungen zum möglichen Einsatz von Carboanhydrase zur Entfernung von Kohlendioxid aus Raumschiffen durch. Die erste Untersuchung erforschte die Absorption von Kohlendioxid aus einem Luftstrom unter Einsatz einer Vorrichtung mit geschlossenem Luftkreislauf. Eine Vielzahl an Chemikalien wurde allein und/oder in Kombination mit CA bewertet hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Entfernung von Kohlendioxid. Die Hauptschlussfolgerung, zu der man kam, war, dass das System mit geschlossenem Luftkreislauf ein adäquates Verfahren zur Untersuchung der Entfernung von Kohlendioxid aus einem Luftstrom bereitstellte. Die zweite Untersuchung zielte auf die Bestimmung der Wirksamkeit der Kohlendioxid-Entfernung aus einem Luftstrom unter Verwendung von Carboanhydrase in Gegenwart verschiedener Amine ab. Die erzielte Schlussfolgerung war, das; enzymatische Aminlösungen möglicherweise für die Kohlendioxid-Absorption und -Desorption in Regulierkonzepten der Atmosphäre zur Anwendung kommen könnten.
  • Obwohl zahlreiche Untersuchungen bezüglich der Entsorgung von Kohlendioxid im Stand der Technik durchgeführt wurden, besteht derzeit immer noch Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung, die in wirksamer Weise Kohlendioxid rasch und bei relativ niedrigen Kosten entweder für die Herstellung von Kohlendioxid oder dessen Entfernung aus einem CO2-haltigen Gas handhaben bzw. zu entsorgen.
  • ZUSAMMFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist der Vorschlag eines Verfahrens und einer Vorrichtung, die diesen Bedürfnissen genügen.
  • In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird das Ziel mit einem Verfahren zur Entfernung von CO2 aus dem CO2-haltigen Gas erreicht, wobei das Verfahren in einem Füllkörper turm-Bioreaktor durchgeführt wird, umfassend: eine Bodenkammer mit einem Gaseinlass und einem Flüssigkeitsauslass; eine obere Kammer mit einem Flüssigkeitseinlass und einem Gasauslass; eine dazwischen angeordnete Reaktionskammer, welche in Fluidverbindung mit der Bodenkammer und der oberen Kammer steht, wobei die Reaktionskammer dadurch gekennzeichnet ist, dass sie mit einer Vielzahl fester Träger gefüllt ist, auf welchen Carboanhydrase oder ein Analogon hiervon immobilisiert ist; wobei das Verfahren den Schritt a) umfasst aus
    • a1) Versorgen des Flüssigkeitseinlasses der oberen Kammer mit einem wässrigen Flüssigkeitsstrom, während der Gaseinlass der Bodenkammer mit einem CO2-haltigen Gasstrom versorgt wird, wobei der Gasstrom dann nach oben in die Reaktionskammer strömt;
    • a2) Richten des wässrigen Flüssigkeitsstroms nach unten in die gefüllte Reaktionskammer, um das CO2-haltige Gas mit der wässrigen Flüssigkeit zu kontaktieren und hierdurch Katalysierenlassen der in der Reaktionskammer immobilisierten Carboanhydrase der Hydratation des diffundierten CO2 zu Wasserstoffionen und Bicarbonationen;
    • a3) Evakuieren aus dem Flüssigkeitsauslass der Bodenkammer einer flüssigen Lösung, enthaltend die in der Reaktionskammer erzeugten Wasserstoffionen und Bicarbonationen, und Evakuieren aus dem Gasauslass der oberen Kammer eines im Wesentlichen CO2-freien Gases.
  • Die vorliegende Erfindung zielt auch auf ein Verfahren zur Entfernung von CO2 aus einem CO2haltigen Gas ab, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt a) umfasst aus:
    Kontaktieren des CO2-haltigen Gases mit einer wässrigen Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, in einem immobilisierte Carboanhydrase oder ein Analogon davon enthaltenden Bioreaktor, wobei die Carboanhydrase die Hydratation des CO2 zu Wasserstoffionen und Bicarbonationen katalysiert.
  • Vorzugsweise gibt es vor dem Schritt a) einen Schritt zur Immobilisierung von Carboanhydrase in dem Bioreaktor, der den Schritt des kovalenten Bindens von Carboanhydrase an ein in dem Bioreaktor befestigtes inertes, festes Trägermaterial umfassen kann. Der Schritt a) des Kontaktierens des CO2-haltigen Gases mit einer wässrigen Flüssigkeit umfasst die Schritte des Richtens eines Stroms des CO2-haltigen Gases mit einer wässrigen Flüssigkeit, umfasst die Schritte des Richtens eines Stroms des CO2-haltigen Gasen nach oben in den Bioreaktor und das Richten eines Stromes der wässrigen Flüssigkeit nach unten, so dass der Strom des CO2-haltilgen Gases entgegen der Richtung des Stromes der wässrigen Lösung strömt.
  • Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren nach dem Schritt a) den Schritt b) des Einspeisens der in Schritt a) erhaltenen Wasserstoffionen und Bicarbonationen in einen zweiten Bioreaktor, der immobilisierte Carboanhydxase enthält, welche die Umwandlung der Wasserstoffionen und der Bicarbonationen zu konzentriertem CO2 und Wasser katalysiert.
  • Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren nach der Schritt a) den Schritt des Einspeisens der in Schritt a) erhaltenen Wasserstoffionen und Bicabonationen in einen Hydroxylionen enthaltenden Ionenaustauscher, so dass die Bicrbonation für die Hydroxylionen ausgetauscht werden, die dann frei sind, um mit Wasserstoffionen zur Bildung von Wasser zu kombinieren.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Entsorgung von CO2 unter Verwendung von immobilisierter Carboanhydrase oder einem Analogon davon. Die Vorrichtung umfasst einen aufrechten Bioreaktor.
  • Der Bioreaktor umfasst eine Bodenkammer mit einem Gaseinlass, um ein CO2-haltiges Gas aufzunehmen, und einen Flüssigkeitsauslass, um aus dem Bioreaktor eine flüssige Lösung zu evakuieren, die in dem Bioreaktor erzeugte Wasserstoffionen und Bicarbonationen enthält. Der Bioreaktor umfasst ferner eine obere Kammer mit einem Flüssigkeitseinlass zur Aufnahme einer wässrigen Flüssigkeit und einen Gasauslass zur Evakuierung von jeglichem Gas aus dem Bioreaktor.
  • Eine Reaktionskammer ist zwischen der Bodenkammer und der oberen Kammer angeordnet und steht mit diesen in Fluidverbindung. Diese Reaktionskammer ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl an darin befestigten festen Trägern für das kovalente Immobilisieren von Carboanhydrase umfasst.
  • Bei Verwendung wird das CO2-haltige Gas durch den Gaseinlass eingespeist und eine wässrige Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, wird durch den Flüssigkeitseinlass eingespeist. Das CO2- haltige Gas und die wässrige Flüssigkeit strömt durch die Reaktionskammer, wo Carboanhydrase darin die Hydratation von CO, katalysiert, wodurch Wasserstoffionen und Bicarbonationen gebildet werden. Danach strömt die Wasserstoffionen und Bicarbonationen enthaltende Lösung über den Flüssigkeitsauslass aus dem Bioreaktor und das CO2-freie Gas strömt aus den Gasauslass.
  • Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung einen zweiten Bioreaktor, welcher mit dem aufrechten Bioreaktor in Reihe angeordnet ist, der im Folgenden als erster Bioreaktor bezeichnet wird. Der zweite Bioreaktor ist im Wesentlichen dem ersten Bioreaktor ähnlich. Er umfasst einen Flüssigkeitseinlass, der mit dem Flüssigkeitsauslass des ersten Bioreaktors zur Aufnahme der flüssigen Lösung aus dem ersten Bioreaktor verbunden ist.
  • Eine Reaktionskammer ist vorgesehen, um Carboanhydrase aufzunehmen. Diese Reaktionskammer steht mit dem Flüssigkeitseinlass in Fluidverbindung und umfasst eine Vielzahl an darin befestigten inerten organischen Trägern für die kovalente Immobilisierung von Carboanhydrase. Die Reaktionskammer steht mit einem Gasauslass in Fluidverbindung, um ein Kohlendioxid enthaltendes Gas, das in der Kammer erhalten wird, zu evakuieren.
  • Ein Flüssigkeitsauslass steht mit der Reaktionskammer in Fluidverbidnung, um in der Reaktionskammer erhaltenes Wasser zu evakuieren.
  • Der zweite Bioreaktor umfasst vorzugsweise Mittel zur Regulierung eines Drucks in der Reaktionskammer des zweiten Bioreaktors.
  • Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung weiter einen Ionenaustauscher mit einem Einlass zur Aufnahme der flüssigen Lösung aus dem Bioreaktor.
  • Die vorliegende Erfindung zielt auch auf die Verwendung von Carboanhydrase oder einem Analogon davon ab, die kovalent in einem Bioreaktor immobilisiert sind, um Kohlendioxid aus einem CO2-haltigen Gas zu entfernen, oder um Wasserstoff- und Bicarbonationen zu erzeugen, oder auf die Verwendung von Carboanhydrase oder einem Analogon davon, die kovalent in ei nem Bioreaktor immobilisiert sind, um CO2 aus angereicherten Lösungen von Wasserstoff- und Bi carbonationen zu erzeugen.
  • Eine nicht einschränkende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen wird nunmehr unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die 1 ist ein Aufriss im Querschnitt eines Bioreaktors vom Turm-Typ gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • die 2 ist ein schematisches Fließdiagramm einer ersten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • die 3 ist ein schematisches Fließdiagramm einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im Verlaufe der Untersuchungen möglicher Anwendungen von Carboanhydrase für die Handhabung der Kohlendioxidansammlung in Unterseebooten wurde festgestellt, dass die kovalente Immobilisierung monomerer Enzyme zu einem funktionellen Enzymsystem mit erhöhter Stabilität führen könnte. Außerdem gab es einen dramatischen Anstieg in der Verwendung von immobilisierten Enzymen in einer breiten Vielzahl an biotechnologischen Anwendungen. Daher wurde gefolgert, dass ein kovalent immobilisierte Carboanhydrase verwendender Bioreaktor ein wirksames System auf biologischer Basis für die Entsorgung von Kohlendioxid vorsehen würde.
  • Bezug nehmend auf die 1 ist eine Vorrichtung (2) füir die Entsorgung von CO2 -gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Diese Vorrichtung (2) ist in erster Linie dafür gedacht, Kohlendioxid aus einem CO2-haltigen Gas zu extrahieren oder zu entfernen und dieses Gas in spezifischer Weise in Wasserstoff- und Bicarbonationen umzuwandeln. Die Vorrichtung (2) umfasst einen aufechten Bioreaktor (4) zur Aufnahme von Carboanhydrase darin. Der Bioreaktor (4) umfasst eine untere Kammer (6) mit einem Gase inlass (8), um ein CO2-haltiges Gas (10) aufzunehmen, und einen Flüssigkeitsauslass (12), um aus dem Bioreaktor (4) eine flüssige Lösung (14) zu evakuieren, die in dem Bioreaktor (4) erzeugte Wasserstoffionen und Bicarbonationen enthält. Der Bioreaktor (4) umfasst weiter eine obere Kammer (16) mit einem Flüssigkeitseinlass (18), um eine wässrige Flüssigkeit (20) aufzunehmen, und einen Gasauslass (22), um jegliches Gas (24) aus dem Bioreaktor (4) zu evakuieren.
  • Eine Reaktionskammer (26) ist zwischen der unteren Kammer (6) und der oberen Kammer (16) angeordnet. Wie zu erkennen ist, ist die Reaktionskammer (26) des veranschaulichten Bioreaktors (4) vorzugsweise in drei Unterkammern aufgeteilt. Die Reaktionskammer (26) steht mit der unteren Kammer (6) und der oberen Kammer (16) in Fluidverbindung. Vorzugsweise ist der Flüssigkeitseinlass (18) der oberen Kammer (16) mit einem darin eingeschlossenen Leitungssstem (28) verbunden, das mindestens einen Flüssigkeitsauslass (30) in die Reaktionskammer (6) aufweist, so dass die in den Bioreaktor (4) gelangende wässrige Flüssigkeit (20) direkt in die Reaktionskammer (26) strömt. Die Reaktionskammer (26) weist eine untere gas- und flüssigkeitsdurchlässige Oberfläche auf, so dass der Strom des in den Bioreaktor (4) von der unteren Kammer (6) eintretenden CO2-haltigen Gases nach oben in die Reaktionskammer (26) strömt und die Flüssigkeit in der Reaktionskammer (26) nach unten in Richtung der und in die untere Kammer (6) strömt.
  • Die Reaktionskammer (26) ist dadurch gekennzeichnet, das sie eine Vielzahl an inerten Trägern umfasst, schematisch in 1 als Bezugsziffer (32) angegeben, die darin für die kovalente Immobilisierung von Carboanhydrase (33) befestigt sind. Diese Träger (32) bestehen vorzugsveise aus Keramik, wie Silica, nämlich Silica-Noppensatteln, oder sie können aus einem Polymer, wie Nylon, Polystyrol oder Polyethylen bestehen. Die Immobilisierungstechnik verwendet bevorzugt eines der folgenden Bindemittel: Imidocarbonat (Silicium), Carbodiimid (Silica und Nylon) und Imin (Silica und Nylon). Das Polystyrol, Nylon und Polyethylen kann chemisch mit Salpetersäure modifiziert werden, um die kovalente Bindung mit den Amingruppen des Enzyms zu verbessern.
  • Das CO2-haltige Einspeisgas (10) kann aus Umgebungsluft oder jeglicher gasförmigen Mischung, die Kohlendioxid enthält, bestehen. Das Gas (10) kann durch eine herkömniliche Filtriereinrichtung (34), die im Fachbereich bekannt ist, filtriert werden, um das Kohlendioxid zu konzentrieren und/oder physikalische Verünreinigungen zu entfernen. Regulierungseinrichtungen zur Regulierung der CO2-haltigen Gasströmung (10) durch den Gaseinlass (8) sind vorgese hen. Auf diese Weise wird das Gas (10) dann in den unteren Teil (6) des Bioreaktorkörpers (4) unter Verwendung vorzugsweise eines geeigneten Ventilsystems (36) für die Volumen- und Inputgeschwindigkeitsregulierung eingespeist. Der Bioreaktor (4) ist als ein Füllkörperturm konstruiert, ein klassisches Design, das in zahlreichen Anwendungen verwendet wird.
  • Das vorzugsweise filtrierte wässrige oder organische Lösungsmittel (20) tritt in den Fioreaktor (4) von der unteren Kammer (16) aus ein und strömt nach unten entweder durch Schwerkraftoder Druck-gesteuertes Pumpen. In der Reaktionskammer (26), wenn die Carboanhydrase das Gas in Wasserstoff und Bicarbonationen umwandelt: die resultierende flüssige Lösung; (14) von Ionen verlässt den Bioreaktor (4) für die nachfolgende Anwendung. Der einzigartige Respekt der Erfindung ist die Verwendung von Carboanhydrase als ein Mittel zur Erzeugung von angereicherten Lösungen von Bicarbonationen. Es gibt mehrere wichtige Varianten, die bezüglich der Konfiguration des Bioreaktors (4) möglich sind. Die Zusammensetzung des Einspeisgases (10) kann zusammen mit dem Volumen und der Zuführgeschwindigkeit variiert werden. Der Bioreaktor (4) kann als geschlossenes System eingerichtet sein, so dass das Einspeisgas (10) komprimiert werden kann und/oder angereichert werden kann, um die Kinetik der Masseüternagung des Kohlendioxids von dem Gas in die Flüssigphase zu verbessern. Es gibt eine große Zahl an Verfahren, die zur Optimierung der Gas-Flüssigkeit-Wechselwirkung in der Reaktionskammer (25), und damit für die Diffundierung von Kohlendioxid, angewandt werden können. Die Zusammensetzung (z. B. pH-Wert) der resultierenden Innenlösung kann je nach Bedarf modifiziert werden. Diese Konfiguration kann zur Extraktion von Kohlendioxid aus einem Gasstrom dienen, um ein Gas oder ein Gasgemisch, das frei von Kohlendioxid ist, zu erzeugen.
  • Bezug nehmend auf die 2 kann das erste Bioreaktor-(4)-Design vorzugsweise mit einem Ionenaustauschsystem (39) mit dem Harz in der Hydroxidform gekoppelt sein. Der Ionenaustauscher (39) besitzt einen Einlass (37) zur Aufnahme der flüssigen Lösung (14) von denn Bioreaktr (4). Da die Kohlendioxid-Hydratationsreaktion Wasserstoff- und Bicarbonationen in äquimolaren Mengen erzeugt, kann diese Lösung direkt in das Ionenaustauschsystem (37) eingespeist werden. Die Bicarbonationen werden für die Hydroxylionen ausgetauscht, die sich frei mit den Wasserstoffionen unter Bildung von Wasser kombinieren können. Dieses System könnte als Kohlendioxid-Entsorgungssystem in einem geschlossenen Raum, wie einem Unterseeboot, eingerichtet werden. Wie in 2 veranschaulicht, kann die an Wasserstoff- und Bicarbonationen abgereicherte Lösung (35) in dem Bioreaktor (4) recycelt werden.
  • Bezug nehmend auf die 3 kann die Vorrichtung (2) für die Entsorgung von Kohlendioxid weiter einen zweiten Bioreaktor (38) ähnlich dem ersten umfassen und in Reihe damit verbunden sein. Diese spezielle Konfiguration arbeitet als geschlossenes System. Dieses System dient zur Erzeugung von Kohlendioxid und arbeitet in einer ähnlichen Weise wie das einzelne Bioreaktor-Design von 1. Die flüssige Lösung (14), die eine relativ hohe Konzentration in in dem ersten Bioreaktor (4) erzeugten Wasserstoff- und Bicarbonationen enthält, wird in den zweiten Bioreaktor (38) eingespeist, in welchem Kohlendioxid in der durch die Carboanhydrase katalysierten Reaktion gebildet wird. Diese Entfernung des Gases aus der wässrigen Phase kann durch die Anwendung eines leichten (d. h. 7–9 mm Hg) negativen Drucks verbessert werden. Das konzentrierte Kohlendioxid kann dann für die nachfolgende Anwendung gewonnen werden.
  • Da dieser zweite Bioreaktor (38) dem ersten ähnlich ist, ist er schematisch als ein Kasten in 3 dargestellt. Diese zweite Bioreaktor (38) umfasst einen Flüssigkeitseinlass (40), der mit dem Flüssigkeitsauslass (12) des ersten Bioreaktors (4) für die Aufnahme der flüssigen Lösung (14) von dem ersten Bioreaktor (4) verbunden ist. Der zweite Bioreaktor (38) umfasst eine Reaktionskammer ähnlich der Reaktionskammer (26) des ersten Bioreaktors (4) für die Aufnahme von Carboanhydrase. Die Reaktionskammer steht mit dem Flüssigkeitseinlass (40) in Fluidverbindung und umfasst eine Vielzahl an darin befestigten Trägern fur die kovalente Immobilisierung von Carboanhydrase. Ein Gasauslass (42) steht mit der Reaktionskammer in Fluidverbindung, um in der Kammer erhaltenes Kohlendioxid zu evakuieren. Ein Flüssigkeitsauslass (44) steht mit der Reaktionskammer in Fluidverbindung, um Wasser (46), das eine geringe Menge an in der Reaktionskammer erhaltenen Wasserstoff- und Bicarbonationen enthält, zu evakuieren. Der zweite Bioreaktor (38) kann vorzugsweise Einrichtungen zur Regulierung eines Drucks in der Reaktionskammer umfassen.
  • Wie ersichtlich wird, kann das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung für die Extraktion, Herstellung und Reinigung von Kohlendioxidgas verwendet werden. Das Verfahren kann auch für die Herstellung von wässrigen und/oder organischen Lösungen von Bicarbonationen und Wasserstoffionen mit Hilfe eines Vorläufer-Einspeisstroms von Kohlendioxid enthaltendem Gas angewandt werden. Es könnte sehr vorteilhaft sein, ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung in jeglichem geschlossenen Raum, wie einem Unterseeboot, einzusetzen.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Entfernen von CO2 aus einem CO2-haltigen Gas, wobei das Verfahren in einem Füllkörperturm-Bioreaktor durchgeführt wird, umfassend: – eine Bodenkammer mit einem Gaseinlass und einem Flüssigkeitsauslass; – eine obere Kammer mit einem Flüssigkeitseinlass und einem Gasauslass; – eine dazwischen angeordnete Reaktionskammer, welche in Fluidverbindung mit der Bodenkammer und der oberen Kammer steht, wobei die Reaktionskammer mit einer Vielzahl nicht-poröser, fester Träger gefüllt ist, auf welchen Carboanhydrase oder ein Analogon hiervon immobilisiert ist; wobei das Verfahren den Schritt a) umfasst aus a1) Versorgen des Flüssigkeitseinlasses der oberen Kammer mit einem wässrigen Flüssigkeitsstrom, während der Gaseinlass der Bodenkammer mit einem CO2-haltigen Gasstom versorgt wird, wobei der Gasstrom dann nach oben in die Reaktionskammer strömt; a2) Richten des wässrigen Flüssigkeitsstroms nach unten in die gefüllte Reaktionskammer, um das CO2-haltige Gas mit der wässrigen Flüssigkeit zu kontaktieren und die Diffusion des CO2 in der wässrigen Flüssigkeit zu fördern, und hierdurch Katalysierenlassen der in der Reaktionskammer immobilisierten Carboanhydrase der Hydratation des diffundierten CO2 in Wasserstoffionen und Bicarbonationen; a3) Evakuieren aus dem Flüssigkeitsauslass der Bodenkammer einer flüssigen Lösung, enthaltend die in der Reaktionskammer erzeugten Wasserstoffionen und Bicarbonationen, und Evakuieren aus dem Gasauslass der oberen Kammer eines im wesentlichen CO2-freien Gases.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es nach Schritt a) den Schritt umfasst: –Einspeisen der in Schritt a) erhaltenen Wasserstoffionen und Bicarbonationen in einen zweiten Bioreaktor, enthaltend immobilisierte Carboanhydrase, welche die Umwandlung der Wasserstoffionen und der Bicarbonationen in konzentriertes CO2 und Wasser katalysiert.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin nach Schritt a) den Schritt umfasst: – Einspeisen der in Schritt a) erhaltenen Wasserstoffionen und Bicarhonationen in einen Ionenaustauscher.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher (39) Hydroxylionen enthält, so dass die Bicarbonationen durch die Hydroxylionen ausgetauscht werden, welche dann frei sind, um mit Wasserstoffionen zur Bildung von Wasser zu kombinieren.
  5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es vor Schritt a) den Schritt umfasst: – Filtrieren des CO2-haltigen Gases.
  6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Flüssigkeit aus Wasser besteht.
  7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der CO2-haltige Gasstrom durch den Gaseinlass mit einem Ventil reguliert wird.
  8. Verwendung eines Verfahrens wie in den Ansprüchen 1 bis 7 definiert zur Entfernung von CO2 in einem geschlossenen Raum.
  9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Raum ein Unterseeboot ist.
DE69813811T 1997-06-04 1998-06-02 Verfahren zur behandlung von kohlendioxid mit carboanhydrase Expired - Lifetime DE69813811T2 (de)

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PCT/CA1998/000541 WO1998055210A1 (en) 1997-06-04 1998-06-02 Process and apparatus for the treatment of carbon dioxide with carbonic anhydrase

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