EP3703843A1 - Vorrichtung und verfahren zur sequestrierung von atmosphärischen kohlendioxid - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur sequestrierung von atmosphärischen kohlendioxid

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EP3703843A1
EP3703843A1 EP18807869.5A EP18807869A EP3703843A1 EP 3703843 A1 EP3703843 A1 EP 3703843A1 EP 18807869 A EP18807869 A EP 18807869A EP 3703843 A1 EP3703843 A1 EP 3703843A1
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EP
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atmospheric carbon
sequestration
bioreactor
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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Sequestrierung von atmosphärischen Kohlendioxid mittels mindestens einem Air Capture Modul in Verbindung mit einem mit autotrophen Mikroorganismen bestückten Bioreaktor.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Sequestrierung von
atmosphärischen Kohlendioxid
Beschreibung
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur Sequestrierung von atmosphärischen Kohlendioxid mittels eines Air Capture Moduls in funktioneller Verbindung mit einem mit autotrophen Mikroorganismen bestückten
Bioreaktor .
Ein globales Problem wird in der Notwendigkeit gesehen,
Kohlendioxid (C02) quantitativ aus der Atmosphäre zu
sequestrieren. Neben der signifikanten Reduktion der Nutzung fossiler Rohstoffe wird eine direkte Sequestrierung von CO2 aus der Atmosphäre als notwendig erachtet, um die weltweiten
Klimaziele erreichen zu können. Diese bestehen in einer maximal zulässigen Temperaturerhöhung von unterhalb 2°C gegenüber dem Beginn der Temperaturaufzeichnungen. Andere Maßnahmen wie Geoengineering durch z.B. Eisendüngung der
Weltmeere oder Einbringen von Schwefelverbindungen in die Atmosphäre zur Erhöhung der Reflektion von Sonnenstrahlen werden als sehr riskant mit ökologischen Folgewirkungen eingestuft .
Eine mittlere globale Temperaturerhöhung von mehr als 2°C führt nach Erkenntnissen der Klimaforschung zu irreversiblen Störungen der Klimasysteme. Ein weiteres globales Problem ist die mit dem Ausstieg aus der Nutzung fossiler Rohstoffe und Energieträger einhergehende Dekarbonisierung der Industrie. Dies bedeutet, dass andere als fossile Kohlenstoffquellen für chemische Prozesse gefunden werden müssen.
In der Technik ist die direkte Kohlendioxidsequestrierung aus der Atmosphäre mit BECCS (Bioenergy with Carbon Capture & Storage) beschrieben. Dabei werden kultivierte Landpflanzen energetisch genutzt (Biomasse- und Gaskraftwerke) und das entstehende CO2 in geologischen Schichten gespeichert.
Nachteile von BECCS sind jedoch: 1.) CO2-Verpressung in
geologischen Schichten, die mit Gefahren verbunden ist und nur in wenigen Regionen der Erde möglich ist. 2.) Konkurrenz mit der Landwirtschaft, indem großer Flächenbedarf für BECCS zu einer Verknappung von Anbaufläche für Nahrungsproduktion führt . Eine vielversprechende Möglichkeit der
Kohlendioxidsequestrierung wird in der Nutzung von
Photobioreaktoren gesehen, die autotroph wachsende
Mikroorganismen enthalten und Biomasse produzieren. Z.B.
Mikroalgen sind einfach einzusetzen. Diese Biomasse kann verschiedenen Verwendungen zugeführt werden wie 1.)
Biogaserzeugung für Energieproduktion, 2.) Gewinnung von
KohlenstoffVerbindungen für die chemische Industrie, 3.)
Biotreibstoffe und 4.) Nahrungsmittelzusätze, die vor allem in Algen enthalten sein können, 5.) andere Wertstoffe wie
pharmazeutisch wirkende Substanzen und Kosmetika, 6)
organischer Dünger aus Biomasse (Biofertilizer) .
Im Stand der Technik beschreiben WO 1998/045409A1 als auch EP 2 568 038 AI Laminar-Photobioreaktoren für die Produktion von Mikroalgen, wobei folgende technische Probleme erörtert werden: a. ) Es muss ein geeigneter Mikroorganismus verwendet werden, welcher einfach und preisgünstig zu kultivieren ist und eine hohe Biomasseproduktion hat. b. ) Es muss eine kontinuierliche CO2 Versorgung gewährleistet werden, da die atmosphärische CO2 Konzentration in der Höhe von 400 ppm (0,04 %) kein optimales Wachstum von z.B. Mikroalgen erlaubt. Bei optimalen CO2 Konzentrationen hat sich
herausgestellt, dass Mikroalgen etwa 10-50 mal effizienter in der Bildung von Biomasse sind als Landpflanzen. Die technische Lehre beschreibt, dass im Bereich von 1-20 % CO2 (also ca. 25 bis 500 mal höher als in der Atmosphäre) Mikroalgen wie
Chlorella, Scenedesmus, Spirulina, Nannochloropsis , Nostoc und Chlorococcus sehr gut wachsen können und eine entsprechend hohe Biomasseproduktivität haben (siehe auch Appl . Biochem Biotechnology, 2016 179:1248-1261 und darin zitierte
Literatur) . Das Problem wurde bislang damit gelöst, dass chemisch reines CO2 (technisches CO2 ) verwendet wurde. Dies löst natürlich nicht das Problem der
KohlenstoffSequestrierung, da dieses CO2 in einem sehr
energieaufwändigen Prozess als Nebenprodukt in der Chemie gewonnen wird. Verschiedene Arbeitsgruppen haben bereits versucht, Alternativen in Form von Abgasströmen aus
Kraftwerken zu nutzen. Dies würde zwar eine Sequestrierung des bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern entstehenden CO2 erlauben, jedoch keine direkte Entnahme von CO2 aus der Atmosphäre gewährleisten. Außerdem ist bekannt, dass
Abgasströme aus Kraftwerken Verunreinigungen wie Schwefel, Stickoxide, Kohlenmonoxid sowie Schwermetalle aufweisen, welche das Wachstum von Mikroorganismen stark hemmen können. Die Entfernung schädlicher Verunreinigungen aus diesen
Abgasströmen ist sehr kostenintensiv. Eine direkte Begasung von Photobioreaktoren mit atmosphärischer Luft hätte dagegen die Nachteile, dass erstens zu wenig CO2 für optimales Wachstum vorhanden ist und zweitens, dass Algenpredatoren wie Einzeller und Zooplankton sich an kleinen Staubpartikeln der Luft befinden können. Diese Organismen ernähren sich von Algen und können somit sehr stark den Bioreaktorbetrieb stören. c. ) Für optimales Wachstum von Mikroalgen ist notwendig, dass der bei der Lichtreaktion entstehende Sauerstoff entfernt wird, da dieser toxisch wirken kann und zudem auch den Prozess der Photorespiration auslöst, wobei erneut CO2 gebildet wird. d.) Ein weiteres Problem besteht darin, dass ein effizienter Bioreaktor einen kontinuierlichen Betrieb erlauben sollte, d. h. Zulauf von Nährlösung und Entfernung von Biomasse ständig erfolgen, ohne dass der Reaktor angehalten werden muss. Zudem sollte ein Bioreaktor so flexibel konfiguriert werden können, dass verschiedene Mikroalgenarten und sogar prokaryotische chemolithotrophe C02~Fixierer kultiviert werden können. e. ) Der Photobioreaktor muss die optimalen
Wachstumsbedingungen des Mikroorganismus wie Temperatur, pH- Wert, Nährstoffe etc. aufrechterhalten. Im Stand der Technik ist jedoch eine geeignete Vorrichtung und Verfahren zur Sequestrierung von atmosphärischen Kohlendioxid mithilfe eines Bioreaktors, insbesondere Photobioreaktors nicht beschrieben.
Daher betrifft die Erfindung die Aufgabe der Bereitstellung einer geeigneten Vorrichtung oder eines Verfahrens zur
Sequestrierung von atmosphärischen Kohlendioxid mittels
Herstellung von Biomasse.
Daher betrifft die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe eine Vorrichtung zur Sequestrierung von atmosphärischen
Kohlendioxid, wobei mindestens ein Modul aufweisend einen Kescher mithilfe eines Adsorbermaterials atmosphärisches
Kohlendioxid bindet und nach Behandlung mit Wärme oder Vakuum das atmosphärische Kohlendioxid vorgehalten wird und das Modul mit mindestens einem Bioreaktor verbunden ist, wobei atmosphärisches Kohlendioxid kontinuierlich an autotrophen Mikroorganismen in mindestens einem Bioreaktor zugeführt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Sequestrierung von
atmosphärischen Kohlendioxid, wobei mindestens ein Modul aufweisend einen Kescher mithilfe eines Adsorbermaterials atmosphärisches Kohlendioxid bindet und nach Behandlung mit Wärme oder Vakuum das atmosphärische Kohlendioxid in einem Behälter, insbesondere Druckbehälter vorgehalten wird, wobei atmosphärisches Kohlendioxid kontinuierlich an autotrophen
Mikroorganismen in mindestens einem Bioreaktor zugeführt wird.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Sequestrierung von atmosphärischen
Kohlendioxid umfassend ein Modul aufweisend einen Kescher, wobei mithilfe eines Adsorbermaterials atmosphärisches
Kohlendioxid gebunden und nach Behandlung mit Wärme oder
Vakuum das atmosphärische Kohlendioxid in einem Druckbehälter vorgehalten wird und mindestens einen Bioreaktor enthaltend autotrophe Mikroorganismen. Einem solchen Druckbehälter kann ein Druckminderer zugeordnet werden, so dass ein kontinuierlicher CO2 Strom ggfs. über eine Mess- und Steuertechnik bereitgestellt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die
Zuführung von atmosphärischem Kohlendioxid an autotrophen
Mikroorganismen in mindestens einem Bioreaktor gemeinsam mit
Luft erfolgen. Bevorzugt sind Verhältnisse von 5: 95 Vol. % CO2 / Luft, insbesondere von 1: 99 Vol. % C02 / Luft bis 10: 90 Vol. % C02 / Luft. Daher betrifft die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe
ebenfalls ein Verfahren zur Sequestrierung von atmosphärischen Kohlendioxid, wobei mindestens ein Modul aufweisend einen Kescher mithilfe eines Adsorbermaterials atmosphärisches
Kohlendioxid bindet und nach Behandlung mit Wärme oder Vakuum das atmosphärische Kohlendioxid vorgehalten wird und das Modul mit mindestens einem Bioreaktor verbunden ist, wobei
atmosphärisches Kohlendioxid kontinuierlich an autotrophen Mikroorganismen in mindestens einem Bioreaktor zugeführt wird. Im Stand der Technik ist die Sequestrierung von CO2 aus industriellen Abgasen mithilfe eines Bioreaktors beschrieben, welche jedoch gänzlich verschieden ist, da solche Abgase anderer Güte sind und Luft andere Schadstoffe als auch eine zu geringe CO2 Konzentration aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die
erfindungsgemäße Vorrichtung solche Merkmale gemäß Figur la oder Figur lb auf, wodurch die oben beschriebenen Probleme erstmalig vollumfänglich gelöst werden können.
Es werden vorzugsweise parallel verlaufende miteinander verbundene Bioreaktormodule verwendet (la-ln, Fig. la, b) . Diese werden mit einer Nährlösung mit dem zu kultivierenden autotrophen Mikroorganismus, vorzugsweise Mikroalgen der
Gattung Chlorella, Scenedesmus, Spirulina, Nannochloropsis , Nostoc oder Chlorococcus beschickt (3, Fig. la, b) . In die Nährlösung wird chemisch reines CO2 vorzugsweise gemeinsam mit Luft eingespeist, wobei das CO2 vorzugsweise aus einem
verbundenen Air Capture Modul (Kohlenstoffdioxid- Gewinnungsanlage) stammt (2, Fig. la, b) . Insbesondere die vorgenannten Algen zeigen gute Wachstumsraten in der erfindungsgemäßen Vorrichtung samt durchgeführten
erfindungsgemäßen Verfahren.
Die Firma Climeworks in der Schweiz
(http://www.climeworks.com/) stellt beispielsweise
funktionstüchtige Air Capture Module her, die an den
Bioreaktor erfindungsgemäß angeschlossen werden können. Über diese Air Capture Module wird atmosphärisches CO2 gebunden (10, Fig. la, b) und kann anschließend über Erhitzen mit ca. 100°C wieder freigesetzt werden. Atmosphärischer Sauerstoff oder Stickstoff wird dagegen nicht gebunden, sondern gelangt wieder zurück in die Atmosphäre (11, Fig. la, b) . Durch Kombination des Air-Capture Moduls mit einem Bioreaktor wird erstmals realisiert, dass atmosphärisches CO2 in einer für
Mikroorganismen optimalen Form vorkonzentriert wird, ohne dass weitere störende Komponenten wie Schadstoffe oder
Algenpredatoren vorhanden sind. Letztere werden effizient durch den Erhitzungsvorgang zur CO2 Freigabe abgetötet.
Eine Mess- und Steuerungseinheit (5, Fig. la, b) misst
kritische Parameter wie CO2 Konzentration, pH-Wert,
Algenbiomasse pro Volumeneinheit. Danach wird die Lösung über eine Systempumpe (6, Fig. la, b) in den Bioreaktor abgegeben. Im Fall von Photobioreaktoren findet eine Beleuchtung statt (9, Fig. la, b) . Aufgrund der Lichtdurchlässigkeit des
Materials können die erfindungsgemäß bevorzugten Algen als Mikroorganismus Photosynthese betreiben. Aufgrund der
optimalen CO2 Konzentration, die flexibel über das Air Capture Modul eingestellt werden kann, findet eine starke
Algenvermehrung in den Reaktormodulen statt. Algenbiomasse kann einerseits über eine zentrale Mess- und Steuerungseinheit (7, Fig. la, b) kontinuierlich abgegeben und mit gängigen Verfahren aufgearbeitet werden. Andererseits handelt es sich vorzugsweise um einen
kontinuierlichen Bioreaktor, welcher in einem Kreislauf arbeiten kann. Die Algen werden über einen Vapor-Liquid- Separator (auch: Gas-, Flüssigkeitsabscheider) (8, Fig. la) geleitet. Das Prinzip der Gasabtrennung aus einem mit
Mikroalgen betriebenen Photobioreaktor ist bekannt.
Beispielweise kann man die Algen durch eine Kammer leiten, die eine semipermeable Membran enthält, durch die in der
Flüssigkeit befindliche Gase ( O2 / CO2 ) über Diffusion abgeführt werden. Eine weitere technische Lösung ist die Verwendung eines mechanischen, vortexgetriebenen Gasseparators (Fasoulas et al . , Universität Stuttgart, Sachbericht zum 2.
Zwischennachweis im Rahmen des durch die DLR-Raumfahrtagentur geförderten Projekts 50 JR 1104 „Regenerative
Lebenserhaltungssysteme für die Raumfahrt mit synergetisch integrierten Photobioreaktoren und Brennstoffzellen" im
Zeitraum, 2014) . Über den Separator wird das Gas (Sauerstoff sowie nicht verbrauchtes CO2 ) zurück in das Air-Capture Modul geschickt (2, Fig. la, b) . Hier entweicht der O2 , wobei das CO2 wieder gebunden und in den Kreislauf geführt wird. Dadurch wird vorteilhaft das Problem der kontinuierlichen Entfernung von O2 gelöst. Die Algen werden aus dem Vapor-Liquid-Separator wieder in den zentralen Kultivierungstank (3, Fig. la, b) geführt. Hier kann nun die CO2 Konzentration wieder auf den optimalen Wert eingestellt werden sowie Nährlösung von außen (4, Fig. la, b) zugeführt werden.
Daher betrifft die Erfindung eine solche erfindungsgemäße Vorrichtung, welche zusätzlich einen Gas-,
Flüssigkeitsabscheider aufweist, so dass vorteilhaft ein kontinuierlicher Kreislaufprozess erreicht und entstehender Sauerstoff abgeführt werden kann. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden 5-50 % des Kulturmediums bzw. Nährlösung innerhalb eines Tages ausgetauscht. Die Vorrichtung weist bspw. eine Messeinheit (7, Fig. la) auf, die bei einer definierten Biomassekonzentration (z.B. lg/ Liter, gemessen mittels der optischen Dichte
(OD650nm) des Mediums) einen Hahn öffnet, um einen definierten Anteil des Kulturmediums in ein Auffanggefäß zu leiten.
Parallel dazu wird das fehlende und frische Kulturvolumen (4, Fig. la) wieder zugeführt. Die Anlage kann ebenfalls mit chemo (litho) autotrophen
Bakterien wie Archaebakterien betrieben werden, welche
ebenfalls CO2 über das Air Capture Modul erhalten. Eine
Lichtreaktion wird nicht benötigt, jedoch eine Energiequelle in Form von H2 (molekularer Wasserstoff) .
Der Begriff „autotrophe Mikroorganismen" umfasst daher im Sinne dieser Erfindung solche Mikroorganismen, die Licht als Energiequelle (photoautotrophe Mikroorganismen) oder eine chemische Energiequelle (z.B. Wasserstoff) (chemoautotrophe Mikroorganismen) nutzen. Autotrophe Mikroorganismen sind in der Lage eine Kohlendioxid-Fixierung vorzunehmen und auf diese Weise Biomasse zu erzeugen.
Ein „Bioreaktor" im Sinne dieser Erfindung kann synonym als Fermenter bezeichnet werden und dient zur Kultivierung der autotrophen Mikroorganismen zur Herstellung von Biomasse, wobei erfindungsgemäß ein kontinuierlicher Betrieb des
Bioreaktors bevorzugt ist. Der Fachmann ist in der Lage beispielsweise für Algen u.a. Mikroorganismen entsprechende Betriebsparameter über ein Mess- und Steuerungssystem
einzustellen (Temperatur, pH-Wert der Kulturlösung, etc.) und Kulturmedien bereitzustellen. Weiterhin bevorzugt ist ein Photobioreaktor, wie in WO 1998/045409A1 als auch EP 2 568 038 AI beschrieben.
Als weitere vorteilhafte C-Quelle in einem Kulturmedium können Einfach- und/oder Mehrfachzucker, und zwar insbesondere
Glucose, in einer Konzentration von 0,3 bis 10 g/I
Kulturmedium zugegeben werden.
Ein „Air-Capture Modul" im Sinne dieser Erfindung kann
atmosphärisches CO2 über einen erfindungsgemäßen Kescher mit einer großen Oberfläche einfangen, wobei über einen Adsorber oder Filter, z.B. Natriumhydroxid, Amine oder Zellulose, das CO2 chemisch oder physikalisch gebunden wird. Durch Erhitzen (z.B. auf 50 - 120 Grad Celsius) und / oder Vakuum kann das CO2 von dem wiederverwendbaren Kescher bzw. Filter erneut in die gasförmige Phase gebracht werden, um es in einer
konzentrierten Form erfindungsgemäß in einen Bioreaktor zu leiten, vorzugweise über einen ersten Behälter, insbesondere Druckbehälter. Daher betrifft ein „Air-Capture Modul" eine erste Vorrichtung, wobei ein Kescher (bzw. Behälter) mithilfe eines Adsorbermaterials atmosphärisches CO2 chemisch oder physikalisch bindet und nach Behandlung mit Wärme und / oder Vakuum in einem Behälter, insbesondere Druckbehälter
vorgehalten wird.
Die Firma Climeworks AG, Schweiz, ist auf die Technik des Air Capture spezialisiert. Die chemische Fixierungskapazität beträgt pro Modul ca. 35 kg/ CO2 pro Stunde und kann durch Nutzung von mehreren Modulen auf den Maßstab von Tonnen / Stunde erhöht werden. Dies erlaubt die Bereitstellung von hohen Mengen an CO2 zur Begasung der autotrophen
Mikroorganismen zur C02-Fixierung in einem Bioreaktor,
ebenfalls in einem kontinuierlichen Betrieb. Ein solches Air Capture Modul dient der Gewinnung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft und stellt bei Bedarf ebenfalls kondensiertes Wasser aus der Umgebungsluft zur weiteren stofflichen Nutzung zur Verfügung. Vorzugsweise wird eine Kohlenstoffdioxid-Gewinnungsanlage gewählt, die
Kohlenstoffdioxid zunächst über einen Adsorptionsbetrieb aus dem Luftstrom bindet und im Anschluss durch eine Temperatur und / oder Vakuum-Verfahren das Kohlenstoffdioxid zur weiteren Nutzung freigibt. Die vorgenannte Vorrichtung kann ebenfalls als Verfahren beschrieben werden als auch die Verwendung dieser Vorrichtung zur Sequestrierung von atmosphärischen Kohlendioxid umfassen.
Die erhaltene und hergestellte Biomasse kann den üblichen Anwendungen zugeführt werden, wie die Herstellung von
Biokraftstoff, chemischen Stoffen, Energieverwertung, etc (supra) .
Nachfolgende Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung, ohne jedoch den Gegenstand der Erfindung einzuschränken.
Beispiel 1 : Adsorptionsbetrieb:
Durch einen mit Adsorbermaterial gefüllten Behälter (Kescher) wird mittels eines Gebläses Umgebungsluft gesaugt. Die
Umgebungsluft enthält üblicherweise 0,04 Vol.-%
Kohlenstoffdioxid und je nach Klima eine gewisse Menge
Wasserdampf. Das Kohlenstoffdioxid wird zu einem hohen Anteil an der Oberflache des Adsorbermaterials , welches
Natriumhydroxid, Amine oder Zellulose enthält, angereichert. Weiter reichert sich Wasser an der Oberfläche des
Adsorptionsmaterials an, wobei gewöhnlich mindestens 2 Mol Wasser pro 1 Mol Kohlenstoffdioxid, mindestens jedoch 1 Mol pro 1 Mol Kohlenstoffdioxid, adsorbiert wird.
Ist die Oberfläche des Adsorbermaterials mit Kohlenstoffdioxid gesättigt bzw. angereichert, muss es regeneriert werden. Dies kann mittels Wärme und / oder Vakuum erfolgen, wobei das physikalisch oder chemisch gebundene CO2 (bzw. Carbonat) in Gasform wieder überführt wird und in einem Behälter
aufgefangen, ggfs. gepuffert und ggfs. verdichtet wird. Das Zwischenpuffern des Kohlenstoffdioxids in einem
Kurzzeitspeicher und einem parallel dazu geschalteten
Langzeitspeicher kann mit erhöhtem Druck erfolgen. Nach
Abkühlen kann das Adsorbermaterial wiederverwendet werden.
Beispiel 2 :
Beispiel Platten-Photobioreaktor : Es wird ein Platten-Photobioreaktor (Fiat Plate
Photobioreactor) der Firma IGV (Potsdam, Deutschland)
verwendet. Dieser besteht aus mit Schläuchen verbundenen planaren Kammern, die vertikal in Reihe aufgestellt werden. Die Kammern sind rechteckig und haben eine Kantenlänge von 1 m und eine Tiefe von 2 cm. Das ergibt ein Volumen von jeweils 20 Litern. Fünf in Serie geschaltete Kammern ergeben ein
Gesamtvolumen von 100 Litern. Der Strömungsantrieb erfolgt über die Systempumpe, wie in Fig. 1 dargestellt (6) . Das CO2 wird über das Air-Capture Modul „Demonstrator" der Firma
Climeworks (Schweiz) in ein Gas-Puffer-Modul (Climeworks,
Schweiz) geleitet, welches bis zu 2m3 des konzentrierten CO2 von der Anlage bis zur Verwendung zwischenspeichert. Die CO2 - Aufnahme und Abgabe sowie die aktuelle Konzentration wird im Gas-Puffer-Modul durch C02-Sensortechnik registriert. Von diesem Modul wird es zusammen mit steriler Luft in den Platten-Photobioreaktor geleitet. Die Kombination (2) aus Air- Capture Modul und Gas-Puffer-Modul ist in Fig. la schematisch dargstellt. Dieses Air-Capture Modul „Demonstrator" kann pro Tag bis zu 8 kg atmosphärisches CO2 aus der Atmosphäre für die Anlage verfügbar machen. Das an die Oberfläche des Air-Capture Moduls aufgenommene CO2 wird durch Erhitzen bei 100 °C wieder freigesetzt und in das Gas-Puffer-Modul geleitet. Über dieses wird gasförmiges CO2 zusammen mit Luft dosiert in den
Bioreaktor geleitet. Dadurch wird eine CO2 Konzentration in dem Nährmedium je nach gewünschten Bedingungen eingestellt.
Beispielsweise wird der Photobioreaktor mit einem Gemisch aus 5 % C02 und Luft begast. Die Zusammensetzung des Gases (z.B. 5 % v/v C02, 95 % v/v Luft) wird extern über eine
Gasmischstation (BBi biotech, Berlin) gesteuert und geregelt. Der Photobioreaktor wird mit LEDs der Firma Valoya Oy
(Helsinki, Finnland) belichtet. Es werden die LEDs BX90 Serie (88 W) mit den Spektren AP67 und NS1 verwendet. Dadurch wird der größte Anteil des sichtbaren Lichtspektrums abgedeckt.
Jedes Plattenmodul des Photobioreaktors wird separat mit LEDs belichtet. Die Anordnung wird derart vorteilhaft gewählt, dass eine Eingangsphotonenflussdichte von ca. 110 μιηο1/ιη23 erzielt wird, die sich z.B. für Spirulina sehr gut eignet.
Beispiel 3:
Produktion von Algenbiomasse mit Platten-Photobioreaktor: Die Anlage wird mit sterilem Kulturmedium folgender
Zusammensetzung befüllt (Aiba, S. and Ogawa T. 1976,
Assessment of Growth Yield of a Blue-green Alga, Spirulina platensis, in Axenic and Continuous Culture. Journal of
General Microbiology 102, 179-182) : NaHC03 (4, 05x 10"2 M) , Na2C03 (9, 50x 10"3 M) , K2HP04 (7,17x 10"4 M) , NaN03 (7, 35x 10"3 M) , K2S04 (l,43x 10"3 M) , NaCl (4,27x 10"3 M) , MgS04 x 7H20 (4,15x 10"4 M) , CaCl2 x 2H20 (9,01x 10"5 M) , FeS04 x 7 H20 (l,64x 10"5 M) , EDTA = Titriplex III (0,04 g/L) +2,5 ml/L Mikronährstoffmedium (2,2 mg/L ZnS04x 7 H20, 25 mg/L MnS04 x 4 H20, 28 mg/L H3B03, 2 mg/L Co[N03]2x 6 H20, 0,21 mg/L Na2 Mo04x 2H20, 0, 79 mg/L CuS04x 5 H20) + 1 ml/L Vitamin B12 (1,5 g/L). Der pH Wert beträgt 9,3. Zunächst wird eine sterile Vorkultur (1 L) mit Spirulina platensis (Aigenstammsammlung Göttingen, SAG) in der
vorstehend genannten Nährlösung im Schüttelkolben angeimpft (Schüttelfrequenz von 100 - 120 rpm) und im Batch für 3-4 Tage kultiviert. Die Photonflussdichte (PFD) wird auf 100-150 μηο1/ιη23 eingestellt. Die Begasung erfolgt über einen
Wattestopfen und Diffusion.
Mit dieser Vorkultur wird der Platten-Photobioreaktor
angeimpft und die gesamte Anlage (siehe Fig. 1) in Betrieb genommen. Es wird mit einem Gemisch cLU S 5 % C02/Luft begast.
Das Medium wird vorzugsweise über eine Systempumpe bewegt oder eine Mediumzirkulation kann durch eine membrangestützte sogenannte Air-Lift-Technik erfolgen. Die Temperatur des Nährmediums im Reaktor beträgt vorzugsweise 30 °C.
Die Anlage ist derart konzipiert, dass diese im Batch-
Verfahren betrieben werden kann, d.h. es wird nur einmal am Ende des Versuchs die Biomasse geerntet. In diesem Fall wird der Bioreaktor für 5-8 Tage betrieben. Die höchste
Produktivität wird jedoch vorzugsweise im kontinuierlichen oder semikontinuierlichen Betrieb erzielt. Dabei wird ein definierter Anteil des Reaktorvolumens durch frisches
Kulturmedium bzw. Nährmedium ausgetauscht (siehe Vorrichtungen 4 und 7 in Fig. la) . Die höchste Produktivität wird erzielt, wenn pro Tag 30% des Nährmediums ausgetauscht wird. Die
Produktivität beträgt im Batch-Verfahren im Mittel 500-800 mg Algenbiomasse/Liter/ Tag. Durch kontinuierlichen Austausch des Nährmediums (30% pro Tag) wird eine Produktivität von 1,5 g Algenbiomasse/Liter/Tag erzielt.
Beispiel 4 :
Algenbiomasse mit Open Pond Bioreaktor (Appl Microbiol
Biotechnol (2007) 74:1163-1174) ):
Anstelle des Platten-Photobioreaktors wird ein offenes System verwendet, welches ein Volumen von 500 L aufweist. Das
Nährmedium (siehe oben) wird über elektrisch betriebene
Schaufelrad-ähnliche Paddel kontinuierlich mit einer Flußrate von 0.2-0.5 m s_1 umgewälzt. Das Open Pond System wird im
Batch-Verfahren oder im semikontinuierlichen Verfahren
betrieben. Nach Animpfen mit 10 Liter Spirulina Vorkultur (siehe oben) wird im Batch-Verfahren bis zu 7 Tage kultiviert. Im semikontinuierlichen Verfahren wird täglich ein bestimmter Anteil (z.B. 10 %) des Mediums, in welchem sich die Mikroalgen vermehrt haben, geerntet und durch neues ersetzt. Das Open Pond System wird in einem geschlossenen Raum von oben mit den LEDs der BX180 Serie (Valoya, Finnland) beleuchtet. Das Open Pond System wird einem 2,5 % CO2 / Luft-Gemisch begast. Das CO2 wird über ein AirCapture Modul bereitgestellt. Die
Raumtemperatur beträgt 24 °C. Nach sieben Tagen wird die
Biomasse geerntet bzw. der Bioreaktor wird semikontinuierlich gefahren. Die Konzentration der Biomasse beträgt ca. 5 g/L. Beispiel 5: Beispiel für KohlenstoffSequestrierung über Bodenhumusbildung: Eine der nachstehenden Mikroalgen mit Fähigkeit zur
Stickstofffixierung wird im geschlossenen Photobioreaktor oder im Open Pond System mit CO2 Zuführung (Gemisch aus 2,5 % CO2 und Luft) angeimpft: Nostoc, Anabaena, Aulosira,
Tolypothrix, odularia, Cylindrospermum, Scytonema, Aphanothece, Calothrix, Anabaenopsis , Mastigocladus , Fischerella, Stigonema, Haplosiphon, Chlorogloeopsis , Camptylonema, Gloeotrichia, Nostochopsis , Rivularia, Schytonematopsis , Westiella,
Westiellopsis , Wollea, Plectonema, Chlorogloea.
Nostoc muscorum ist gut für das Open Pond System geeignet und wächst in flüssigem Medium analog zu Spirulina. Nostoc
muscorum wird für 14 Tage kultiviert und dann als Batch geernet. Alternativ wird eine semikontinuierliche Kultur durchgeführt, wobei täglich ca. 10 % der entstandenen Biomasse geerntet und das abgezogene Medium durch frisches Kulturmedium ersetzt wird. Während der Kultivierungsphase wird
atmosphärischer Stickstoff von den Algen fixiert. Die
Algenbiomasse wird getrocknet. Es ergibt sich im
Batchverfahren ein Ertrag von 700 mg Biomasse / L.
Die trockene Biomasse wird zu Granulatkörnern gepresst, welche als Biofertilizer im Boden ausgetragen werden. Diese Algen- Biomasse besteht zu einem großen Teil aus Kohlenstoff (>50%) , welcher bei autotrophem Wachstum aus der CO2 Fixierung stammt. Die Inokulation eines geeigneten Bodensubstrates mit Nostoc führt auch zu einer Verbesserung der StickstoffVersorgung . Die Biomasse hat ein Kohlenstoff zu StickstoffVerhältnis von 10-15 : 1.
Durch den Biofertilizer aus Algenbiomasse wird das Wachstum von Pflanzen wie z.B. Bäumen verbessert, wodurch eine weitere CO2 Sequestrierung ermöglicht wird. Erläuterung zu den Figuren: Legende zu Figur la:
1: Parallel verlaufende miteinander verbundene
Bioreaktormodule, 2: Air-Capture Modul (optional mit Gas- Puffer-Modul), 3: zentraler Kultivierungstank, 4: Nährlösung von außen, 5: Mess- und Steuerungseinheit für CO2 , pH-Wert, Temperatur, 6: (System) Pumpe, 7: Messeinheit für
Biomassekonzentration und Steuerungseinheit zur gezielten
Abgabe von Kulturmedium, 8: Vapor-Liquid-Separator zur
Trennung von Gas und Flüssigkeit, 9: Beleuchtung, falls
Photobioreaktor, 10: Eintritt und Bindung von atmosphärischem CO2 , 11: Austritt von atmosphärischem Sauerstoff oder
Stickstoff .
Legende zu Figur lb: 1: Parallel verlaufende miteinander verbundene
Bioreaktormodule, 2: Air-Capture Modul, 3: zentraler
Kultivierungstank, 4: Nährlösung von außen, 5: Mess- und
Steuerungseinheit für CO2 , pH-Wert, Temperatur, 6:
(System) Pumpe, 7: Messeinheit für Biomassekonzentration und Steuerungseinheit zur gezielten Abgabe von Kulturmedium, 8: CO2 Druckbehälter, 9: Beleuchtung, falls Photobioreaktor, 10:
Eintritt und Bindung von atmosphärischem CO2 , 11: Austritt von atmosphärischem Sauerstoff oder Stickstoff, 12: Druckluft, zusammen mit CO2 wird über eine Gasmischstation ein konstantes Verhältnis θΠ 5"6 CO2 und 95% Luft in den Bioreaktor geführt.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Sequestrierung von atmosphärischem
Kohlendioxid, wobei mindestens ein Modul aufweisend einen Kescher mithilfe eines Adsorbermaterials atmosphärisches Kohlendioxid bindet und nach Behandlung mit Wärme oder Vakuum das atmosphärische Kohlendioxid vorgehalten wird und das Modul mit mindestens einem Bioreaktor verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass atmosphärisches
Kohlendioxid kontinuierlich an autotrophen
Mikroorganismen in mindestens einem Bioreaktor zugeführt wird .
Vorrichtung zur Sequestrierung von atmosphärischen
Kohlendioxid nach Anspruch 1, wobei das atmosphärische Kohlendioxid in einem Behälter, insbesondere
Druckbehälter vorgehalten wird.
Vorrichtung zur Sequestrierung von atmosphärischen
Kohlendioxid umfassend ein Modul aufweisend einen
Kescher, wobei mithilfe eines Adsorbermaterials
atmosphärisches Kohlendioxid gebunden und nach Behandlung mit Wärme oder Vakuum das atmosphärische Kohlendioxid in einem Druckbehälter vorgehalten wird und mindestens einen Bioreaktor enthaltend autotrophe Mikroorganismen.
Vorrichtung zur Sequestrierung von atmosphärischen
Kohlendioxid nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend mindestens einen Gas-, Flüssigkeitsabscheider.
5. Vorrichtung zur Sequestrierung von atmosphärischen
Kohlendioxid nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Bioreaktor ein Photobioreaktor oder Open Pond Bioreaktor ist.
6. Vorrichtung zur Sequestrierung von atmosphärischen
Kohlendioxid nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Modul ein Air-Capture-Modul ist.
7. Vorrichtung zur Sequestrierung von atmosphärischen
Kohlendioxid nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die autotrophen Mikroorganismen photoautotrophe
Mikroorganismen oder chemoautotrophe Mikroorganismen sind, insbesondere Archaebakterien, Algen, Mikroalgen, insbesondere Algen der Gattungen Chlorella, Scenedesmus, Spirulina, Nannochloropsis , Nostoc oder Chlorococcus .
8. Vorrichtung zur Sequestrierung von atmosphärischen
Kohlendioxid nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zuführung von atmosphärischen Kohlendioxid an
autotrophen Mikroorganismen in mindestens einem
Bioreaktor gemeinsam mit Luft erfolgen, insbesondere von 1: 99 Vol. % C02 / Luft bis 10: 90 Vol. % C02 / Luft.
9. Vorrichtung zur Sequestrierung von atmosphärischen
Kohlendioxid nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei 5-50 % des Kulturmediums ausgetauscht werden.
10. Verfahren zur Sequestrierung von atmosphärischen
Kohlendioxid, wobei mindestens ein Modul aufweisend einen Kescher mithilfe eines Adsorbermaterials atmosphärisches Kohlendioxid bindet und nach Behandlung mit Wärme oder Vakuum das atmosphärische Kohlendioxid vorgehalten wird und das Modul mit mindestens einem Bioreaktor verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass atmosphärisches
Kohlendioxid kontinuierlich an autotrophen
Mikroorganismen in mindestens einem Bioreaktor zugeführt wird . 11. Verfahren zur Sequestrierung von atmosphärischen
Kohlendioxid nach Anspruch 10, wobei ein kontinuierlicher Betrieb des Bioreaktors erfolgt.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Sequestrierung von atmosphärischen Kohlendioxid aus der Umgebungsluft.
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