EP2435553A1 - Elektrochemische separation von algen - Google Patents

Elektrochemische separation von algen

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EP2435553A1
EP2435553A1 EP10726423A EP10726423A EP2435553A1 EP 2435553 A1 EP2435553 A1 EP 2435553A1 EP 10726423 A EP10726423 A EP 10726423A EP 10726423 A EP10726423 A EP 10726423A EP 2435553 A1 EP2435553 A1 EP 2435553A1
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EP
European Patent Office
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medium
species
algae
arrangement
separation
Prior art date
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Withdrawn
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EP10726423A
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Helmut Junge
Hilmar Franke
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SEE-O-TWO Patentgesellschaft mbH
Universitaet Duisburg Essen
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SEE-O-TWO Patentgesellschaft mbH
Universitaet Duisburg Essen
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02Photobioreactors
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M47/00Means for after-treatment of the produced biomass or of the fermentation or metabolic products, e.g. storage of biomass
    • C12M47/02Separating microorganisms from the culture medium; Concentration of biomass

Abstract

Es wird eine elektrochemische Konzentration und/oder Separation von Algen aus einer Algensuspension vorgeschlagen.

Description

Elektrochemische Separation von Algen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur B iomasseerzeugung.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich insbesondere mit der Nachahmung der Photosynthese zur Bindung von Kohlendioxid bzw. dessen Umwandlung in Biomasse. Es ist bekannt, hierzu eine Algensuspension zu beleuchten, um das Wachstum der Algen anzuregen. Die Algen verbrauchen Kohlendioxid zum Wachstum und zur Bildung von Biomasse. Eine Anordnung zur Biomasseerzeugung ist beispielsweise aus der WO 2008/135276 A2 bekannt.
Problematisch ist die Abtrennung der Algen von der Algensuspension bzw. dem wäßrigem Medium.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur Biomasseerzeugung anzugeben, wobei die Biomasse bzw. eine Spezies, insbesondere Algen, auf einfache Weise aufkonzentriert bzw. abgetrennt werden kann.
Die obige Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, die vorzugsweise lebende Spezies, wie Algen, elektrisch oder elektrochemisch zu konzentrieren und/oder zu separieren. Dies erfolgt vorzugsweise dadurch, daß ein Gleichstrom durch das insbesondere wäßrige Medium mit der Spezies, insbesondere eine Algensuspension oder dergleichen, geleitet wird. In Untersuchungen hat sich gezeigt, daß die Spezies dabei insbesondere an einer Anode abgeschieden und/oder aufkonzentriert wird, beispielsweise die Anode kokonartig umgibt, und/oder daß die Spezies - insbesondere im Bereich der Anode - aufschwimmt und dadurch aufkonzentriert bzw. separiert wird.
Besonders bevorzugt erfolgt eine Elektrolyse des Mediums 3 bzw. Wassers, in dem sich die Spezies bzw. Algen in insbesondere hoher Konzentration befϊn-
BESTÄTIGUNGSKÖPIE den. Der Salzgehalt des Mediums 3 ist dabei nachrangig. Er kann wahlweise niedrig bis hoch sein. Insbesondere müssen keine Chemikalien hinzugefügt werden, auch wenn eine Zugabe von Chemikalien grundsätzlich möglich ist.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich also mit der Aufkonzentration bzw. Konzentration und/oder mit der Separation bzw. Abscheidung von Biomasse bzw. einer Spezies. Die Spezies kann dabei lebend oder bereits tot sein. Insbesondere handelt es sich bei der Spezies um Algen. Nachfolgend wird bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung primär auf Algen abgestellt. Jedoch gelten die diesbezüglichen Ausführungen auch entsprechend bei einer sonstigen Spezies.
Weitere Aspekte, Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschrei- bung bevorzugter Ausfuhrungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer vorschlagsgemäßen Anordnung zur Biomasseerzeugung; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer vorschlagsgemäßen Anordnung zur Konzentration und/oder Separation einer Spezies.
Nachfolgend wird zunächst eine besonders bevorzugte Ausführungsform zur Biomasseerzeugung bzw. zum Wachstum einer lebenden Spezies, wie Algen, in einem Medium erläutert. Die erfindungsgemäße Konzentration bzw. Abtrennung bzw. Separation wird dann erst anschließend anhand von Fig. 2 erläutert.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen, nicht maßstabsgerechten Darstellung eine Anordnung 1 zur Biomasseerzeugung, insbesondere einen Bioreaktor. Die Anordnung 1 dient der Biomasseerzeugung, wobei Licht 2 (schematisch in Fig. 1 angedeutet) und/oder Kohlendioxid bzw. Kohlenwasserstoffe einem flüssigen Medium 3 zugeführt werden, das mindestens eine lebende Spezies enthält. Dem Medium 3 wird besonders bevorzugt Kohlendioxid, insbesondere als Gas, ggf. auch als Komponente eines Gasgemisches, und/oder auf sonstige Weise, beispielsweise in flüssiger bzw. gelöster Form zugeführt. Alternativ oder zusätzlich können auch sonstige Kohlenwasserstoffe dem Medium 3 zu- geführt werden. Dies kann in entsprechender Weise oder anstatt der Zuführung von Kohlendioxid erfolgen. Dementsprechend gelten die Ausführungen zu der Zuführung von Kohlendioxid auch in entsprechender Weise für die Zuführung von sonstigen Kohlenwasserstoffen. In der nachfolgenden Beschreibung wird der Einfachheit halber jedoch oft nur von der Zuführung von Koh- lendioxid gesprochen.
Bei dem Medium 3 handelt es sich insbesondere um eine Suspension oder dergleichen. Dementsprechend ist der Begriff "flüssig" in einem weiten Sinne zu verstehen, so daß insbesondere Suspensionen, Dispersionen oder sonstige Gemische oder Stoffe mit flüssigen Phasen oder Anteilen umfaßt sind.
Das Medium 3 ist vorzugsweise photoaktiv und/oder biologisch aktiv. Insbesondere kann in dem Medium 3 eine Photosynthese oder eine sonstige Licht 2 und/oder Kohlendioxid benötigende Reaktion ablaufen. Insbesondere enthält das Medium 3 hierzu eine biologisch aktive Spezies, insbesondere Algen, sonstige Bakterien oder dergleichen.
Insbesondere ist das Medium 3 wäßrig bzw. enthält Wasser und/oder ist stark lichtbestreuend.
Besonders bevorzugt wird eine Algensuspension als Medium 3 eingesetzt. Insbesondere enthält das Medium 3 eine Algenmischkultur, die vorzugsweise zumindest in ähnlicher Form in Flüssen, Teichen oder dergleichen vorkommt. Derartige Mischkulturen sind nämlich besonders resistent gegen Umweltein- flüsse, Krankheiten und/oder sonstige Störungen.
Da die Anordnung 1 vorzugsweise mit Algen bzw. mit einer Algensuspension als Medium 3 eingesetzt wird, wird der folgenden Beschreibung primär auf das durch das eingeleitete Licht 2 induzierte Algenwachstum abgestellt. Je- doch gelten diese Ausführungen entsprechend auch für sonstige Spezies oder photo- bzw. bioaktive Medien 3. - A -
Die Anordnung 1 weist vorzugsweise eine Beleuchtungseinrichtung, hier mit lichtleitenden Fasern 4, zur Zuleitung des Lichts 2 auf. Bei der ersten Ausfüh- rungsform enden mehrere oder alle Fasern 4 in verschiedenen Raumbereichen, insbesondere zumindest teilweise in unterschiedlichen Tiefen und/oder Vertikalebenen, in dem Medium 3. Dies gestattet eine dreidimensionale Verteilung des Lichts 2 in dem Medium 3, wie in Fig. 1 beispielhaft schematisch angedeutet.
Vorzugsweise sind die Fasern 4 flexibel. Jedoch können grundsätzlich auch starre lichtleitende Stäbe - zumindest abschnittsweise und/oder am Austrittsende ins Medium 3 - eingesetzt werden.
Besonders bevorzugt enden die Fasern 4 in verschiedenen Ebenen innerhalb des Mediums 3. Jedoch können die Fasern 4 auch alle unterschiedlich oder unregelmäßig enden.
Ausgehend von einem Bündel (Hauptbündel) 5 von Fasern 4 erfolgt insbesondere eine Verzweigung oder Verästelung in Einzelbündel 6 und/oder Einzelfa- sern 4. Um eine optimale Verteilung des Lichts 2 in dem Medium 3 zu erreichen, enden die Fasern 4 vorzugsweise einzeln, also separat voneinander in dem Medium 3. Jedoch können auch mehrere Fasern 4 zusammen, beispielsweise als Einzelbündel 5, in dem Medium 3 enden.
Das Licht tritt zumindest im wesentlichen oder ausschließlich am Ende der jeweiligen Faser 4 aus und beleuchtet das Medium 3 im jeweiligen Raumbereich, wie durch Striche in Fig. 1 angedeutet.
Vorzugsweise weist die Anordnung 1 insbesondere gitter- oder stangenartige Halterungen 7 in dem Medium 3 auf, die insbesondere in verschiedenen Ebenen oder Tiefen angeordnet sind, um die Fasern 4 bzw. Bündel 5, 6 zu halten oder zu führen.
Besonders bevorzugt bilden die Halterungen 7 Zwischenböden in einem Be- hälter oder Tank 8 mit dem Medium 3, um die Fasern 4 oder Bündel 5 oder 6 in verschiedenen Raumbereichen innerhalb des Mediums 3 enden zu lassen. Beim Darstellungsbeispiel wird vorzugsweise Sonnenlicht zur Beleuchtung des Mediums 3 bzw. der Algen eingesetzt, auch wenn grundsätzlich jedes sonstige Licht verwendet werden kann. In diesem Zusammenhang ist anzu- merken, daß der Begriff "Licht" vorzugsweise in einem weiten Sinne dahingehend zu verstehen ist, daß nicht nur sichtbares Licht, sondern beispielsweise alternativ oder zusätzlich auch Infrarot-Licht und/oder ultraviolettes Licht entsprechend dem Medium 3 zugeführt werden kann. Generell kann die Energie- zufuhrung über die Fasern 4 des Medium 3 auch anderen Zwecken als der beim Darstellungsbeispiel vorgesehenen Photosynthese und/oder Anregung des biologischen Wachstums und/oder der Umwandlung von Kohlendioxid in Biomasse dienen.
Die Anordnung 1 bzw. Beleuchtungseinrichtung weist vorzugsweise eine Lichtsammeieinrichtung, insbesondere einen Lichttrichter oder Kollektorspiegel 10, zum Auffangen von Sonnenlicht auf, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt. Das aufgefangene Sonnenlicht oder sonstiges Licht kann dann über die Fasern 4 bzw. insbesondere ein Bündel 5 oder 6 zu dem Behälter bzw. Tank 8 mit dem Medium 3 mit insbesondere sehr geringen Verlusten geleitet werden.
Die Anordnung 1 weist vorzugsweise eine Versorgungseinrichtung 11 zur Zuführung von Kohlendioxid und/oder Kohlenwasserstoffen, insbesondere zur Einleitung von Gas, das insbesondere Kohlendioxid enthält oder daraus besteht, auf. Beispielsweise kann Rauchgas, Klärgas, Faulgas, Luft oder derglei- chen eingeleitet werden. Beim Darstellungsbeispiel weist die Einrichtung 11 insbesondere einen Boden, ein Sieb 12 oder ein sonstiges geeignetes Einleitungsmittel auf, um das Gas insbesondere in Form von Gasblasen 13 in das Medium 3 einzuleiten bzw. abzugeben, wie in Fig. 1 schematisch angedeutet.
Alternativ oder zusätzlich kann die Zuführung von Kohlendioxid bzw. Kohlenwasserstoffen auch in flüssiger bzw. wäßriger oder gelöster Form erfolgen. Diese Art der Zuführung kann auch mit der gasförmigen Zuführung gekoppelt werden.
Die Anordnung 1 bzw. Biomasseerzeugung erfolgt vorzugsweise bei einem pH- Wert des Mediums 3 von insbesondere etwa 6,5, insbesondere 7 oder mehr, und/oder von höchstens 8,5, insbesondere 8 oder weniger. Besonders bevorzugt erfolgt eine Regelung des pH- Werts insbesondere derart, daß der pH- Wert zumindest im wesentlichen in den genannten Grenzen bzw. in dem genannten pH- Wert-Bereich gehalten wird und/oder zyklisch variiert wird.
Die Steuerung bzw. Regelung des pH- Werts des Mediums 3 erfolgt vorzugsweise durch entsprechende Steuerung der Versorgungsleitung 11 und/oder durch Variieren und/oder Unterbrechen der Zuführung von Kohlendioxid und/oder anderen Kohlenwasserstoffen. Besonders bevorzugt wird ein Regel- kreis gebildet. Der pH- Wert des Mediums 3 wird besonders bevorzugt durch Steuerung der Zugabe von Kohlendioxid in insbesondere sehr kleinen Gasblasen 13 gesteuert bzw. geregelt. Bei Zugabe von Kohlendioxid wird dieses nämlich im Wasser gelöst, wodurch der pH- Wert abgesenkt wird.
Beim Darstellungsbeispiel weist die Anordnung 1 eine Steuereinrichtung S auf, die die Zuführung von Kohlendioxid und/oder Kohlenwasserstoffen bzw. die Versorgungseinrichtung 11 und/oder eine Pumpe P o. dgl. steuert. Insbesondere kann die Steuereinrichtung S die Zuführung von Kohlendioxid bzw. anderen Kohlenwasserstoffen in gewünschter Weise variieren und/oder unter- brechen, um den pH- Wert des Mediums 3 zu steuern bzw. zu regeln.
Um die Regelgröße, also den pH- Wert des Mediums 3, zu erfassen, weist die Anordnung 1 bzw. die Steuereinrichtung S vorzugsweise eine Meßeinrichtung M auf, die beispielsweise über einen entsprechenden Sensor o. dgl. den pH- Wert des Mediums 3 oder einen dazu korrespondierenden bzw. damit korrelierten Wert mißt. Jedoch sind auch andere konstruktive Lösungen möglich.
Die Steuereinrichtung S steuert die Zuführung von Kohlendioxid bzw. sonstigen Kohlenwasserstoffen dann vorzugsweise in Abhängigkeit von dem erfaß- ten pH- Wert.
Die Steuereinrichtung S ist vorzugsweise derart ausgeführt, daß die Zuführung von Kohlendioxid bzw. anderen Kohlenwasserstoffen so gesteuert wird, daß der pH- Wert des Mediums 3 zyklisch variiert und/oder im wesentlichen zwi- sehen 6,5 und 8,5, vorzugsweise etwa zwischen 7 und 8, beträgt bzw. gehalten wird. Das Medium 3 mit der Spezies - also die Algensuspension - wird vorzugsweise durch einen Bereich oder eine ggf. auch separate Einrichtung zur zumindest teilweisen Abtrennung bzw. Entnahme der Spezies zirkuliert. Hierzu weist der Tank 8 beispielsweise einen Zulauf 14 und einen Ablauf 15 auf, die in Fig. 1 schematisch angedeutet sind.
Die angesprochene Zirkulation und/oder eine Umwälzung dient vorzugsweise einer Anregung des Algenwachstums.
Weiter ist es aber auch erforderlich, die erzeugte Biomasse bzw. die Algen in dem Medium 3 aufzukonzentrieren und/oder davon zu separieren, um die Biomasse abzutrennen und für weitere Anwendungen verfügbar zu machen oder effektiv trocknen zu können.
Nachfolgend wird anhand von Fig. 2 eine besonders bevorzugte Ausfuhrungsform der vorschlagsgemäßen Anordnung 1 zur Konzentration und/oder Separation der Spezies bzw. Algen erläutert. Hierbei kann es sich um eine separate Einrichtung oder Vorrichtung handeln. Vorzugsweise wird diese jedoch in Verbindung mit der bereits beschriebenen Anordnung 1 oder einer ähnlichen Anordnung oder Vorrichtung zur Biomasseerzeugung verwendet. Des weiteren kann die vorgesehene Konzentrierung und/oder Separation der Spezies bzw. Algen auch als Teilschritt der Biomasseerzeugung angesehen werden. Dementsprechend wird nachfolgend für die vorschlagsgemäße Anordnung zur Konzentrierung und/oder Separation der Spezies bzw. Algen, die anhand von Fig. 2 näher erläutert wird, ebenfalls das Bezugszeichen " 1 " verwendet.
Fig. 2 zeigt in einer nur schematischen Darstellung eine besonders bevorzugte Aus führungs form der Anordnung 1 zur Konzentration und/oder Separation der Spezies bzw. Algen.
Die Einrichtung 1 weist beim Darstellungsbeispiel einen Tank oder Behälter 16 für das Medium 3 mit der Biomasse bzw. Spezies, hier den gepunktet angedeuteten Algen 17, auf. Besonders bevorzugt steht der Behälter 16 in fluidischer Verbindung mit dem Tank 8 oder einem sonstigen Bioreaktor. Vorzugsweise ist das Medium 3 durch den Tank 8 bzw. sonstigen Bioreaktor oder dergleichen einerseits und dem Behälter 16 anderseits nacheinander zirkulierbar, insbesondere so daß die primär im Tank 8 oder Bioreaktor wachsende oder sich vermehrende Biomasse bzw. Spezies dann vorzugsweise im Behälter 16 von dem Medium 3 konzentriert bzw. aufkonzentriert und/oder von dem Medium 3 separiert bzw. abgetrennt wird.
Zur fluidischen Verbindung ist der Behälter 16 beispielsweise mit einem Zulauf 18 an den Ablauf 15 und mit einem Ablauf 19 an den Zulauf 14 angeschlossen. Dementsprechend ist dann das mit der Spezies bzw. Algen 17 angereicherte Medium 3 über den Zulauf 18 in den Behälter 16 einleitbar und das Medium 3 nach der zumindest teilweisen Separation oder Abtrennung der Spezies - also das zumindest teilweise geklärte Medium 3 - wieder über den Ablauf 19 abgebbar. Jedoch sind noch andere konstruktive Lösungen möglich.
Die Anordnung 1 weist eine Einrichtung 20 zur elektrischen oder elektrochemischen Konzentration und/oder Separation der Spezies bzw. Algen 17 auf.
Beim Darstellungsbeispiel weist die Einrichtung 20 eine in das Medium 3 reichende Anode 21, eine in das Medium 3 reichende Kathode 22 und eine den beiden Elektroden (Anode und Kathode) zugeordnete Stromversorgung 23 auf.
Vorzugsweise wird ein Gleichstrom zur elektrochemischen Konzentration und/oder Separation der Spezies bzw. Algen 17 durch das Medium 3 geleitet, bzw. erfolgt eine elektrochemische Reaktion, die die Konzentration/Separation bewirkt. Der Gleichstrom fließt insbesondere zwischen der An- ode 21 und Kathode 22. Jedoch kann ein elektrischer Strom im Medium 3 auch auf sonstige Weise erzeugt werden.
Vorzugsweise wird das Medium 3, insbesondere das Wasser, während oder zu der Konzentration und/oder Separation elektrolysiert. Bei der Elektrolyse können insbesondere an der Anode 21 Gasblasen 24 entstehen, wie in Fig. 2 schematisch angedeutet.
Versuche haben gezeigt, daß durch den eines elektrischen Stroms bzw. bei der Elektrolyse eine Konzentration und/oder Separation der Spezies bzw. Algen 17 erreichbar ist. Insbesondere können sich die Algen 17 in der Art eines Ab- oder Anlagerungsbereichs bzw. wie ein Kokon 25 oder dergleichen vermehrt um die Anode 21 herum im Medium 3 anlagern oder anordnen, wie in Fig. 2 schematisch angedeutet. Es findet also eine Konzentration der Spezies bzw. Algen 17 im Medium 3 insbesondere um die Anode 21 herum statt. Das durch den Behälter 16 strömende bzw. über den Ablauf 19 aus dem Behälter 16 herausströmende Medium 3 weist danach eine entsprechend verringerte Konzentration der Spezies bzw. Algen 17 auf.
Die genannte Konzentration oder Anlagerung oder Ansammlung der Spezies bzw. Algen 17 insbesondere um die Anode 21 herum kann auch als Separation oder Abscheidung von dem Medium 3 angesehen werden.
Beispielsweise ist es möglich, die Anode 21 derart auszubilden, daß die ange- lagerten Spezies bzw. Algen 17 bei Herausnahme der Anode 21 direkt mit aus dem Medium 3 herausgenommen werden. Hierzu können die Anode 21 beispielsweise gitterartig, geflechtartig oder eine sonstige, besonders geeignete Form aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich ist eine Konzentration der Spezies bzw. Algen 17 und/oder Separation auch dadurch möglich, daß die Spezies bzw. Algen 17 aufschwimmen, insbesondere zusammen mit dem oder durch die Gasblasen 24, insbesondere anodenseitig bzw. durch Sauerstoffblasen. Beispielsweise kann sich auf dem Medium 3 ein Schaum mit und bzw. aus den Algen 17 bil- den, wie in Fig. 2 nur schematisch angedeutet.
Die Anode 21 ist vorzugsweise inert oder passiv bzw. passiviert, löst sich während des Durchleitens des Stroms bzw. während der Elektrolyse vorzugsweise nicht oder zumindest im wesentlichen nicht auf. Versuche haben gezeigt, daß es vorteilhaft ist, wenn die Anode 21 magnetisch oder eisenhaltig ist, also Eisen enthält. Insbesondere ist die Anode 21 aus Eisen oder einer Eisenlegierung hergestellt.
Versuche haben gezeigt, daß der Eisenanteil der Anode 21 Einfluß auf die Art der Algenabscheidung haben kann. Wenn der Eisenanteil hoch ist, konzentrieren sich die Algen 17 primär um die Anode 21. Ist der Eisenanteil niedrig, werden die Algen 17 zunehmend oder überwiegend hauptsächlich als Schaum auf der Flüssigkeit bzw. dem Medium 3 abgeschieden bzw. konzentriert.
Vorzugsweise wird Gleichstrom zur Konzentration und/oder Separation der Spezies bzw. Algen 17 eingesetzt. Bei dem Gleichstrom kann es sich entweder um einen zumindest im wesentlichen konstanten oder geglätteten Gleichstrom oder um einen pulsierenden Gleichstrom handeln.
Versuche haben gezeigt, daß sich bei pulsierendem Gleichstrom - insbesondere in Kombination mit einer Eisenanode 21 - zunächst eine braune Wolke aus Eisenoxid oder Eisensüdoxid bildet. Um diese Wolke herum lagern sich die Algen 17 an. Gleichzeitig tritt eine Schaumbildung an der Oberfläche auf. In diesem Schaum befinden sich auch Algen. Zusätzlich können agglomerierte Algen 17 am Boden des Behälters 16 auftreten.
Bei konstantem oder geglättetem Gleichstrom hat sich bei den Versuchen hingegen kein sichtbarer brauner Schleier um die Anode 21 gebildet. Statt dessen lagern sich die Algen 17 grün an der Anode 21 an. Außerdem bildet sich ein grüner Schaum an der Oberfläche. Auch am Boden des Behälters 16 können sich grüne Algen 17 bilden bzw. abscheiden.
Es ist anzumerken, daß sowohl der braune als der schwarze Algenschlamm eine gewisse Magnetisierbarkeit bzw. eine gewisse magnetische Eigenschaft bei den Versuchen zeigte.
Bei einem Vergleichsversuch mit einer Anode 21 aus Edelstahl war zunächst kein Effekt zu erkennen. Erst nach einer deutlichen längeren Zeit trat eine stärker werdende Schaumbildung an der Oberfläche der Flüssigkeit bzw. des
Mediums 3 auf. Hierbei bildete sich aber an der Anode 21 kein Belag und auf dem Boden des Behälters 16 lagerten sich kaum Algen 17 ab. Vielmehr sammelten sich die Algen 17 primär in einem grünen Schaum an der Oberfläche. Dieser grüne Algenschaum zeigte jedoch keine magnetischen Eigenschaften.
Es wurden auch Versuche mit Salzwasser als Medium 3 bzw. mit Salzwasseralgen 17 gemacht. Wegen der größeren Leitfähigkeit von Salzwasser war der Elektrolysestrom entsprechend größer (bei gleicher Spannung) oder der energetische Aufwand geringer. Die Zeit, die zur Abscheidung einer gleichen Menge Algen 17 benötigt wurde, war entsprechend kürzer. Hierbei entstand an der Anode 21 jedoch keine braune Wolke, sondern eine eher schwarze Wolke.
Die erfindungsgemäße Lösung gestattet es also insbesondere, Algen 17 aus oder in einer wäßrigen Suspension zu konzentrieren, die in einem Bioreaktor oder dergleichen nur in verdünnter Form vorliegt.
Die Konzentration bzw. Abscheidung geschieht insbesondere auf elektrochemischem Wege. Dies ist eine physikalische Methode, die leicht zu realisieren ist.
Elektrochemische Verfahren zur Entkeimung von Wasser sind bereits seit längerem bekannt. Sie dienen dem Abtöten von Bakterien und anderen Mikroorganismen, insbesondere auch Algen. Ihre Wirkung beruht darauf, daß an der Anode 21 Hypochloride entstehen, die für die Spezies bzw. Algen giftig sind. Meist wird bei diesen Verfahren Natriumchlorid zugesetzt. Bei derartigen Verfahren findet jedoch keine Konzentration oder Separation von Algen 17 im Sinne der vorliegenden Erfindung statt.
Die vorschlagsgemäße elektrochemische Konzentration bzw. Separation der Algen 17 führt insbesondere zur Umhüllung der Anode 21 mit Algen 17 und/oder zu einer Flotation - also einem Aufschwimmen - von Algen 17. In beiden Fällen ist eine leichte, ggf. kontinuierliche Abscheidung der Algen 17 möglich. Insbesondere ist die Anode 21 derart ausgebildet, daß die angelagerten Algen 17 wieder leicht von der Anode 21 entfernbar oder lösbar sind. Bei den Versuchen wurde eine Zellspannung von etwa 12 V eingesetzt. Der Strom beträgt 18O mA.
Die elektrochemische Konzentration bzw. Separation der Spezies oder Algen 17 erfolgt vorzugsweise in einem basischen Medium 3, insbesondere mit einem erhöhten pH- Wert. Besonders bevorzugt erfolgt eine elektrochemische Konzentration und/oder Separation der Algen 17 bei einem pH- Wert von etwa 10 oder 11 oder höher.
Der hohe pH- Wert führt dazu, daß die elektrochemische Konzentration und/oder Separation der Spezies bzw. Algen 17 schneller in Gang kommt bzw. mit geringerem energetischem Aufwand möglich ist. Dies läßt sich durch das entsprechend geänderte Redoxpotential der Anode 21 erklären. Die Einstellung des pH- Werts kann beispielsweise durch Zugabe von Natronlauge oder auf sonstige geeignete Weise erfolgen.
Das geklärte Wasser bzw. Medium 3 kann dann trotz dem hohen pH- Werts wieder in den Bioreaktor bzw. Tank 8 oder dergleichen zurück geführt werden, dort kann durch die Kohlendioxid-Einleitung nämlich wieder eine gewis- se Neutralisierung erfolgen, insbesondere eine Einstellung des pH- Werts in einen gewünschten Bereich, wie bereits eingangs erläutert.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erfolgt die Biomasseerzeugung vorzugsweise also derart, daß die eigentliche Biomassevermehrung (beim Darstellungsbeispiel im Tank 8) bei einem niedrigeren pH-Wert und die anschließende Konzentration bzw. Separation der Spezies bei einem höheren pH- Wert erfolgt. Bei der bevorzugten Zirkulation des Mediums 3 wird dabei der pH- Wert des Mediums 3 also zyklisch bzw. abwechselnd erhöht und erniedrigt.
Bei de beschriebenen Ausführungsform kann die Photosynthese mittels einer technischen Einrichtung nachgeahmt werden, nämlich aus Kohlendioxid und Wasser unter Einwirkung von Licht Biomasse bzw. CH2θ-enthaltene Verbindungen und Sauerstoff zu erzeugen. Dementsprechend kann die vorschlags- gemäße Anordnung 1 insgesamt auch als Bioreaktor arbeiten bzw. bezeichnet werden. Die beschriebene Erfindung soll helfen, das Kohlendioxidproblem zu lösen. Insbesondere sind die vorschlagsgemäße Anordnung 1 und das vorschlagsgemäße Verfahren zum Abbau von Kohlendioxid aus dem Rauchgas fossiler Kraftwerke geeignet.
Zum Abbau von Kohlendioxid aus Rauchgas kann das Rauchgas gegebenenfalls einfach von unten in den Behälter 8 eingeblasen werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß nicht nur Kohlendioxid abgebaut bzw. gebunden werden kann, sondern daß die erzeugte Biomasse auch als Rohmaterial für Brennstoff, Bioethanol, Biodiesel oder dergleichen verwendet werden kann.
Es ist anzumerken, daß von dem Sonnenlicht bedarfsweise der IR- Anteil abgetrennt, und beispielsweise für sonstige Zwecke, insbesondere zur Trocknung der erzeugten Biomasse, wie der abgeschiedenen Algen 17, oder dergleichen, eingesetzt werden kann.
Einzelne Merkmale und Aspekte der erläuterten Ausführungsformen und -Varianten können auch unabhängig voneinander oder beliebig miteinander kombiniert und/oder bei sonstigen Anordnungen oder Verfahren eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Anordnung (1) zur Biomasseerzeugung, mit einem vorzugsweise wässrigen Medium (3) mit mindestens einer vorzugsweise lebenden Spezies, insbesondere Algen (17), dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (1) eine Einrichtung (20) zur elektrischen oder elektrochemischen Konzentration und/oder Separation der Spezies aufweist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (20) eine dem Medium (3) zugeordnete Anode (21) und Kathode (22) aufweist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (21) eisenhaltig oder magnetisch ist oder aus Eisen oder einer Eisenlegierung hergestellt ist.
4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (21) inert oder passiv ist.
5. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (20) derart ausgebildet, dass Gleichstrom durch das Medium (3) zur elektrischen oder elektrochemischen Konzentration und/oder Separation der Spezies leitbar ist.
6. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (20) derart ausgebildet, dass das Medium (3) zur elektrischen oder elektrochemischen Konzentration und/oder Separation der Spezies elektrolysierbar ist.
7. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (1) eine Beleuchtungseinrichtung zur Zufährung von Licht (2) und/oder zur Verteilung von Licht (2) in dem Medium (3) aufweist.
8. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (1) eine Versorgungseinrichtung (1 1) zur Zuführung von Kohlendioxid und/oder Kohlenwasserstoffen aufweist.
9. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (1) eine Steuereinrichtung (S) zur Steuerung oder Regelung des pH- Werts des Mediums (3) aufweist.
10. Verfahren zur Biomasseerzeugung und/oder zur Konzentration und/oder Separation einer vorzugsweise lebenden Spezies, insbesondere Algen (17), in oder von einem vorzugsweise wässrigen Medium (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration und/oder Separation der Spezies elektrisch oder elektrochemisch erfolgt.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichstrom zur elektrischen oder elektrochemischen Konzentration und/oder Separation der Spezies durch das Medium (3) geleitet wird oder in dem Medium (3) fliesst.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom zumindest im wesentlichen konstant oder geglättet ist.
13. Verfahren nach Anspruch 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom pulsiert.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration und/oder Separation der Spezies bei basischem Medium (3), insbesondere bei einem pH- Wert von etwa 11 oder höher, erfolgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die Konzentration und/oder Separation der Spezies der pH- Wert des Mediums (3) erhöht wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Konzentration und/oder Separation der Spezies das Medium (3) elektrolysiert wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass dem Medium (3) zur Förderung des Wachstums der Spezies Kohlendioxid und/oder Kohlenwasserstoffe zugeführt wird bzw. werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (3) beleuchtet wird.
EP10726423A 2009-05-28 2010-05-27 Elektrochemische separation von algen Withdrawn EP2435553A1 (de)

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