WO2010031090A1 - Process for fixing carbon and for energy generation - Google Patents

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WO2010031090A1
WO2010031090A1 PCT/AT2009/000291 AT2009000291W WO2010031090A1 WO 2010031090 A1 WO2010031090 A1 WO 2010031090A1 AT 2009000291 W AT2009000291 W AT 2009000291W WO 2010031090 A1 WO2010031090 A1 WO 2010031090A1
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WO
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biomass
bacteria
combustion
aquatic
energy
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PCT/AT2009/000291
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Inventor
Maximilian Lackner
Manuela Branka
Original Assignee
Maximilian Lackner
Manuela Branka
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10LFUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L5/00Solid fuels
    • C10L5/40Solid fuels essentially based on materials of non-mineral origin
    • C10L5/44Solid fuels essentially based on materials of non-mineral origin on vegetable substances
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10Biofuels, e.g. bio-diesel
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the biomass-derived fuels are solid (e.g., wood pellets), liquid (e.g., bioethanol, bio-butanol), or gaseous (biogas).
  • the processes for converting biomass into liquid or gaseous fuels are chemical (e.g., gasification of biomass in fluidized bed plants), physical (e.g., squeezing oil seeds), or biological (e.g., anaerobic fermentation).
  • the energy yield from direct combustion is usually best. Through cogeneration, the efficiency can be increased. Energy from biomass is generally environmentally friendly, but the entire chain needs to be considered. For example, methane is much more climate-friendly than carbon dioxide. Thus, leaks in a biogas plant that lead to the release of methane can cause a biogas plant to contribute more to the global warning than, for example, an aerodynamic power plant.
  • a relatively new branch is energy production from biomass, which can be produced or harvested in the sea, so-called aquatic biomass. This is how algae can be used to produce biodiesel.
  • DE 2 74 36 18 describes a process for obtaining fuels from plants, algae, bacteria and fungi.
  • CN 101033405 describes the pyrolysis of algae for the production of solid and liquid fuels.
  • WO2007128800 describes a method of converting biomass into liquid fuels and into chemicals.
  • the conversion of aquatic biomass into, for example, biodiesel or the compression to oils are very complex processes in which not all the energy content of the raw material is used.
  • the background is that the recovered fuels (oils, biodiesel) have a high energy content per dm 3 and are therefore suitable for energy storage and release in mobile applications.
  • the present invention relates to a method for fixing carbon and energy production, comprising the steps:
  • aquatic biomass is biomass that can be cultivated, produced, or recovered in waters. These include, for example, algae, fungi and bacteria. Under energy production according to the invention, the production of heat and / or force, such as electricity, understood.
  • FIG. 1 shows a plasmid for the genetic modification of bacteria.
  • Figure 2 shows the scheme of the method for power generation.
  • the present invention is based on the consideration, instead of a complex extraction of biomass fuels from biomass which is easy and cheap to obtain, namely aquatic biomass, to generate energy by direct combustion.
  • aquatic biomass is to be understood as meaning biomass which has been produced or produced in water.
  • Water here means reactors, basins, lakes, marine waters such as oceans, and rivers of various sizes, both with salt water as well as with fresh water.
  • the aquatic biomass can be vegetable or animal.
  • algae, plankton (phytoplankton, zooplankton), grasses, fungi and bacteria have been shown to be beneficial biomass.
  • the aquatic biomass can be naturally occurring biomass or designer organisms (ie genetically modified) organisms, as well as any mixture thereof.
  • the biomass thus obtained can then be used according to the invention for environmentally friendly and efficient energy production by combustion.
  • the bacteria are preferably selected from the group consisting of E coli bacteria and cyanobacteria. Further usable bacteria are those of the groups Chlamydiae, Chlorobi, Planctomycetes, Proteobacteria, Firmicutes and Spirochaetes.
  • the preferred bacteria are characterized by the fact that they live in water and are as unpretentious as possible.
  • Some of these bacteria are phototrophic, ie capable of photosynthesis, such as the cyanobacteria. Other mechanisms for generating energy from sunlight are also possible.
  • cyanobacteria also called blue-green algae
  • “Pure” cyanobacteria can be used, but also organisms that have cyanobacteria in leaf cavities, nodules, etc., such as algae ferns (Azolla).
  • the bacteria used can, for example, be genetically modified via the introduction of a plasmid.
  • cyanobacteria and E-coli bacteria are used with special plasmids.
  • a plasmid is a typically circular DNA molecule that exists in the bacterial cells but does not belong to the bacterial chromosome.
  • a Chlorophyll a Chlorophyll situated. Chlorophyll-gene-carrying plasmid or a plasmid which produces chlorophyll, introduced into the bacteria (blue-green algae or E-CoIi). Due to the well-known, very efficient protein synthesis performance of the E-CoIi bacteria an enrichment of the cholorophyll protein is achieved.
  • the bacterium now produces chlorophyll very quickly and efficiently. Under the influence of sunlight, this chlorophyll now produces sugar and / or other organic, energetic substances (carbohydrates, oils, etc.).
  • the bacteria thus achieve a better utilization of solar energy compared to normal plants.
  • these genetically engineered bacteria have the following advantage: Unlike plants (energy crops, algae, etc.), which only so much Producing chlorophyll, as they need to produce the sugar they need, can achieve significantly faster growth with these bacteria. As a result, more biomass from bacteria grows per unit of time and area than from algae or other plants.
  • algae, fungi or other organisms can be used as the aquatic biomass.
  • Picobiliphyta is particularly advantageous because low-salt seawater is sufficient for breeding.
  • the algae used according to the invention may also be genetically modified.
  • the basic chemical substances and / or fine chemicals can be obtained before combustion.
  • the basic chemical substances or fine chemicals are preferably selected from the group consisting of sugar, biodiesel, hydrogen, ethanol, carbon monoxide and hydrocarbons.
  • drying or predrying of the biomass may preferably be carried out.
  • the waste heat from the combustion process can preferably be used. Drying is used in the sense of this invention if only one step is involved. If at least a second step follows the drying, the first step or the first steps is called "pre-drying".
  • Step 1 Fixation of carbon by aquatic organisms such as bacteria under the influence of sunlight. Production of aquatic biomass
  • step 1 carbon is fixed in aquatic biomass.
  • the carbon from CO 2 is fixed in bacteria.
  • modified blue-green algae or E-coli bacteria are used for the fixation of carbon.
  • the required plasmid in an advantageous embodiment contains the following parts: First, a promoter suitable for bacteria, all exons of the cholorophyll gene with poly-tail and a corresponding coding of an antibiotic resistance for the selection of the plasmid-carrying E. coli or blue-green algae.
  • a promoter suitable for bacteria all exons of the cholorophyll gene with poly-tail and a corresponding coding of an antibiotic resistance for the selection of the plasmid-carrying E. coli or blue-green algae.
  • FIG. 1 exemplary example.
  • Amp ampillicine resistance
  • the blue-green algae and / or E-coli bacteria can be kept outdoors or in a suitable breeding pond.
  • the breeding tank should be such that the temperature is between 10 and 60 ° C (37 ° C is advantageous), the pH between 3 and 11 (advantageously about 8), the NaCl content 0-5% (is advantageous 0.9%) is or can be adjusted.
  • the breeding tank may therefore contain fresh water, salt water (seawater) or a mixture thereof.
  • CO 2 or a CO 2 -containing gas can be passed through the medium of the breeding tank. This is also advantageous for expelling the resulting oxygen. It is possible to supply exhaust gases or CO 2 from the subsequent combustion process to the breeding tank or the growth space of the organisms.
  • the content of bacteria in the breeding tank can be from 0.001 to 98% (mass).
  • the plasmid produces by reading chlorophyll.
  • This chlorophyll is now in the bacterium, where it is exposed to sunlight, e.g. Sugar produced; This sugar and / or other organic, high-energy compounds are enriched in the bacterium. This enrichment can be continued until the bacterium dies.
  • the bacterium can also convert the sugar to ethanol. It is also possible to release hydrogen, as has already been shown for the bacterium Clostridium tyrobutyricum JMl [5].
  • the high-energy compounds can now be removed from the breeding tank, either when they are in the bacterium or in the solution outside.
  • the bacteria multiply by cell division at a doubling rate of 10 minutes to 10 hours, typically 3 hours.
  • E-coli bacteria or blue-green algae via plasmids in such a way that they not only produce chlorophyll, but also specifically metabolite products in the desired yield and / or selectivity.
  • hydrocarbons such as oils or biodiesel in bacteria such as E-CoIi or blue-green algae.
  • suitable plasmids hydrocarbons such as oils or biodiesel in bacteria such as E-CoIi or blue-green algae.
  • the purpose of the inventive method is the combustion of the biomass obtained.
  • optional small molecules referred to as chemical precursors, can be obtained. These include, for example, H 2 , CO and CH 4 , but also C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 3 H 6 , HCHO and others.
  • chemical precursors such as H 2 , CO and or CH 4 may be released and withdrawn during production.
  • a) is meant, for example, the harvest of naturally occurring organisms in the aquatic environment.
  • Step 2 Separation of bacterial biomass
  • the bacteria can be separated from the aqueous breeding solution by various methods (collection, harvesting). Centrifuging, precipitation, flocculation or salting-out, filtering, filtering, sieving, pressing, flotation have proved successful.
  • the water content can be between 0.1 and 99%. In most cases, the biomass obtained is present as a suspension or "slurry".
  • step 1 chemical precursors can be released, which can be withdrawn and recycled, for example H 2 , CO and / or CH 4 .
  • This step is optional. It can be separated by various processes according to the prior art, one or more substances or the biomass or a part thereof to be converted.
  • step 3 Possible, for example, fermentation or fermentation. Biogas, hydrogen, etc., can be obtained in this way. Purpose of the treatment is the extraction of gaseous, solid or liquid substances that are not directly supplied to the combustion. The rest of the aquatic biomass goes to step 4. The residence time of the aquatic biomass in step 3 can be up to 2000 hours.
  • Step 4 Drying / Predrying
  • the bacterial biomass can be dried or predried as follows:
  • Drying means dehumidification, i. the complete or partial removal of water.
  • step 4 preferably a predrying or drying of the biomass takes place. At the same time or instead, the temperature of the slurry of aquatic biomass and its pressure can be increased.
  • the energy for predrying or drying can come from one or more of the following sources:
  • the drying or pre-drying can also be done by dewatering by applying negative pressure or by another suitable method, such as a membrane technology.
  • the biomass After drying or predrying, the biomass can be stored.
  • the moisture content is 0.1 to 99%. In the case of a still high or unchanged moisture content only the temperature and / or pressure of the slurries are increased.
  • Step 5 Pyrolysis, gasification
  • a part of the aquatic biomass can be converted to gaseous products (eg CO, H 2 , CH 4 ) and removed.
  • gaseous products eg CO, H 2 , CH 4
  • the prior art discloses the process of "polygeneration.” It is crucial that a solid or liquid residue of aquatic biomass remains, which is fed to step 7.
  • the biomass can be pressed or ground into pellets, ingots or powder. Also a spray drying is possible. It is possible to add various aggregates in order to allow pressing to handle bulk goods.
  • the combustion of the aquatic biomass in a power plant ie a device for generating energy (heat and / or power such as electricity), is the essential step of the present invention.
  • the thermal utilization is carried out here by the treated according to steps 1 to 6 biomass.
  • the biomass may be moist or not at all dried.
  • combustion in an oxygen-enriched atmosphere and combustion at high or low temperatures is possible ("wet combustion", see for example [10]).
  • Combustion is preferably carried out by introducing the biomass into a power plant of the size 0.1 kW to 100,000 MW provided for this purpose. This power plant can be operated continuously.
  • the aquatic biomass can be burned as the sole fuel, but also as co-firing.
  • a typical suitable technology is fluidized bed combustion or grate firing.
  • the biomass can, depending on the moisture content, be introduced in different ways.
  • the water / biomass mixture is introduced at elevated pressure (1-300 bar) and elevated temperature (50-400 ° C) and atomized / sprayed to allow rapid evaporation of the water.
  • elevated pressure (1-300 bar) and elevated temperature (50-400 ° C) and atomized / sprayed to allow rapid evaporation of the water.
  • the heating of the suspension of biomass and water is carried out by solar energy or by the waste heat from the combustion process, as already disclosed above.
  • the energy from the fuel is converted into usable energy. This can be done by:
  • This water vapor is essentially the vaporized water from the biomass suspension as well as part of the Combustion products.
  • the condensing can take place directly in a second chamber, or after a turbine, which was driven by the exhaust gas.
  • the power plant is advantageously operated in combined heat and power. Part of the heat (0-100%) is used to dry or pre-dry the biomass. This is particularly advantageous if no customer for heat is available.
  • the solar drying can be done according to the prior art based on patent specification [6].
  • the pressure in the combustion chamber can be from 0.1 to 100 bar, the temperature 100 to 2200 ° C.
  • the slurry introduced into the combustion chamber in an advantageous embodiment of this disclosed invention has a pressure of 1 to 2000 bar (absolute) during atomization into the combustion chamber. Its temperature can be between 4 and 800 0 C, advantageously between 50 and 400 ° C.
  • the combustion exhaust gases can be introduced into the breeding tank (sea, lake, river, etc.) to accelerate the growth of the biomass by raising the temperature and / or CO 2 .
  • the individual steps as well as the power plant technologies can be regarded as state of the art. According to the state of the art are power plants, especially large, caloric, onshore (onshore) and are stationary. If the fuel is harvested in the sea or on a suitable body of water, it may be advantageous to bring the power plant closer to the place of production.
  • FIG. 2 schematically illustrates the above-described steps 1 to 7 of a preferred method according to the invention.
  • EP 1 378 494 (priority AT 3442002), Process and apparatus for processing biogenic residues, in particular sludges (Process and apparatus for treating biogenic residues, in particular sludges), Tecon Engineering GmbH, 07.01.2004.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)

Abstract

The invention disclosed here describes a process for energy generation in power plants by combustion of aquatic biomass. In an advantageous embodiment, bacteria are used for this purpose. In a particularly advantageous embodiment, cyano bacteria and/or E. coli bacteria are used for this purpose. In a further advantageous embodiment, the bacteria comprise a plasmid which produces chlorophyll. The chlorophyll and the metabolism of the bacteria produce sugar and various high-energy compounds such as hydrogen, alcohols, proteins and fats. The bacteria are capable of utilizing the sunlight much more efficiently than plants, for example energy crops or algae. The biomass produced by means of bacteria is utilized thermally. Beforehand, chemical commodities and fine chemicals can also be obtained.

Description

Verfahren zur Fixierung von Kohlenstoff und zur Energieerzeugung Method of fixing carbon and generating energy
Stand der TechnikState of the art
80-90% der weltweiten Primärenergie werden über Verbrennung erzeugt [I]. Ein Großteil der Energieträger ist fossilen Ursprungs. Auch ein großer Teil der chemischen Grundstoffe werden aus fossilen Rohstoffen erzeugt, etwa CO, HCHO, H2, CH4, C2H6, C3H8, C2H3, C3H6, HCOOH, Ethanol oder Ethylenoxid. Steigende Preise (Verknappung von Erdöl) und ein verstärktes Umweltbewusstsein (globale Erwärmung) haben der Energiegewinnung aus Biomasse in den letzten Jahren starken Auftrieb verliehen. Das Spektrum an verfügbaren Technologien ist hier sehr breit; Neben der direkten Verfeuerung von Abfallen aus der Landwirtschaft werden auch gezielt sog. „Energy Crops" angebaut, aus denen Brennstoffe gewonnen werden können.80-90% of the world's primary energy is generated by combustion [I]. Much of the energy source is fossil origin. Also, a large part of the basic chemicals are generated from fossil fuels, such as CO, HCHO, H 2 , CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , C 2 H 3 , C 3 H 6 , HCOOH, ethanol or ethylene oxide. Rising prices (scarcity of oil) and increased environmental awareness (global warming) have boosted biomass energy production in recent years. The spectrum of available technologies is very wide here; In addition to the direct burning of waste from agriculture, targeted so-called "energy crops" are grown, from which fuels can be obtained.
Die aus Biomasse gewonnenen Brennstoffe sind fest (z.B. Holzpellets), flüssig (z.B. Bio- Ethanol, Bio-Butanol) oder gasförmig (Biogas). Die Verfahren zur Umwandlung von Biomasse in flüssige oder gasförmige Brennstoffe sind chemischer Natur (z.B. Vergasung von Biomasse in Wirbelschichtanlagen), physikalischer Natur (z.B. Auspressen von Ölsamen) oder biologischer Natur (z.B. anaerobe Gärung). Die Energieausbeute bei der direkten Verbrennung ist zumeist am besten. Durch Kraft- Wärme Kopplung kann der Wirkungsgrad gesteigert werden. Energie aus Biomasse ist generell umweltfreundlich, allerdings muss die gesamte Kette betrachtet werden. So ist beispielsweise Methan um ein Vielfaches klimawirksamer als Kohlendioxid. Dadurch können Leckagen bei einer Biogasanlage, die zur Freisetzung von Methan führen, eine Biogasanlage dazu bringen, stärker zum Global Warnung beizutragen als beispielsweise ein Ergaskraftwerk.The biomass-derived fuels are solid (e.g., wood pellets), liquid (e.g., bioethanol, bio-butanol), or gaseous (biogas). The processes for converting biomass into liquid or gaseous fuels are chemical (e.g., gasification of biomass in fluidized bed plants), physical (e.g., squeezing oil seeds), or biological (e.g., anaerobic fermentation). The energy yield from direct combustion is usually best. Through cogeneration, the efficiency can be increased. Energy from biomass is generally environmentally friendly, but the entire chain needs to be considered. For example, methane is much more climate-friendly than carbon dioxide. Thus, leaks in a biogas plant that lead to the release of methane can cause a biogas plant to contribute more to the global warning than, for example, an aerodynamic power plant.
Ein relativ neuer Zweig ist die Energiegewinnung aus Biomasse, welche im Meer erzeugt bzw. geerntet werden kann, sogenannte aquatische Biomasse. So lässt sich aus Algen Biodiesel gewinnen.A relatively new branch is energy production from biomass, which can be produced or harvested in the sea, so-called aquatic biomass. This is how algae can be used to produce biodiesel.
Aquatische Biomasse ist aus folgenden Gründen vorteilhaft:Aquatic biomass is advantageous for the following reasons:
- keine Konkurrenz zu Lebensmitteln, wie dies etwa bei Energy Crops der Fall ist- no competition with food, as is the case with energy crops
- hohe Effizienz- high efficiency
- Algen sind sehr genügsam und benötigen keine spezielle Düngung.- Algae are very frugal and need no special fertilization.
Auf dem Gebiet der Energiegewinnung aus aquatischer Biomasse durch Gewinnung energiereicher Verbindungen wie etwa Biodiesel sind weltweit eine große Anzahl von Forschungsinstituten und Firmen tätig. Es ist bekannt, dass Algen im Meer zur Gewinnung von Biodiesel [2] und zur CO2-Fixierung [3] eingesetzt werden können, siehe auch Patentschrift [8].In the field of energy production from aquatic biomass by obtaining high - energy compounds such as biodiesel are a large number of Research institutes and companies. It is known that algae can be used in the sea for the production of biodiesel [2] and for CO 2 fixation [3], see also patent [8].
Die DE 2 74 36 18 beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung von Kraftstoffen aus Pflanzen, Algen, Bakterien und Pilzen. CN 101033405 beschreibt die Pyrolyse von Algen zur Gewinnung von festen und flüssigen Kraftstoffen. WO2007128800 beschreibt ein Verfahren, Biomasse in flüssige Brennstoffe und in Chemikalien umzuwandeln.DE 2 74 36 18 describes a process for obtaining fuels from plants, algae, bacteria and fungi. CN 101033405 describes the pyrolysis of algae for the production of solid and liquid fuels. WO2007128800 describes a method of converting biomass into liquid fuels and into chemicals.
Die Effizienz der Kohlenstoff-Fixierung in energiereichen Verbindungen durch Algen ist höher als bei konventioneller Biomasse (am Festland). Daher wird Verfahren, welche Biodiesel aus Algen gewinnen, großes Potential zugesprochen als Verfahren der dritten Generation. Es kann davon ausgegangen werden, dass Verbrennungsprozesse noch einige Jahrzehnte die dominierende Energiequelle sein werden [7].The efficiency of carbon fixation in high-energy compounds by algae is higher than that of conventional biomass (on the mainland). Therefore, processes that recover biodiesel from algae are considered to have great potential as third generation processes. It can be assumed that combustion processes will remain the dominant energy source for several decades [7].
Die Umwandlung von aquatischer Biomasse in beispielsweise Biodiesel oder die Verpressung zu Ölen sind aber sehr aufwändige Prozesse, bei denen nicht der gesamte Energieinhalt des Rohstoffs genutzt wird.The conversion of aquatic biomass into, for example, biodiesel or the compression to oils are very complex processes in which not all the energy content of the raw material is used.
Hintergrund ist, dass die gewonnenen Treibstoffe (Öle, Biodiesel) einen hohen Energieinhalt pro dm3 haben und sich daher zur Energiespeicherung und Freisetzung in mobilen Anwendungen eignen.The background is that the recovered fuels (oils, biodiesel) have a high energy content per dm 3 and are therefore suitable for energy storage and release in mobile applications.
Die Energiegewinnung in großen, stationären, kalorischen Kraftwerken erfolgt traditionell durch fossile Brennstoffe. Teilweise wird auch Biomasse (Feststoffe) verfeuert, meistens in Co-Feuerung. Eine Verbrennung von nicht am Festland gewonnener Biomasse in Kraftwerken hat bisher keine Beachtung gefunden.Energy production in large, stationary, calorific power plants is traditionally done by fossil fuels. Partly also biomass (solids) is burned, mostly in co-firing. Combustion of non-mainland biomass in power plants has so far received no attention.
Offenlegung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fixierung von Kohlenstoff und Energieerzeugung, umfassend die Schritte:The present invention relates to a method for fixing carbon and energy production, comprising the steps:
- Herstellung von aquatischer Biomasse mittels CO2 und Sonnenlicht- Production of aquatic biomass using CO 2 and sunlight
- Verbrennung der aquatischen Biomasse- combustion of aquatic biomass
Unter aquatischer Biomasse wird erfindungsgemäß Biomasse verstanden, die in Gewässern gezüchtet, hergestellt, oder gewonnen werden kann. Dazu zählen beispielsweise Algen, Pilze und Bakterien. Unter Energieerzeugung wird erfindungsgemäß die Produktion von Wärme und/oder Kraft, beispielsweise Elektrizität, verstanden.According to the invention, aquatic biomass is biomass that can be cultivated, produced, or recovered in waters. These include, for example, algae, fungi and bacteria. Under energy production according to the invention, the production of heat and / or force, such as electricity, understood.
Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures
Figur 1 zeigt ein Plasmid für die gentechnische Modifizierung von Bakterien. Figur 2 zeigt das Schema des Verfahrens zur Energieerzeugung.FIG. 1 shows a plasmid for the genetic modification of bacteria. Figure 2 shows the scheme of the method for power generation.
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Überlegung, anstelle einer aufwändigen Gewinnung von Brennstoffen aus Biomasse aus einfach und günstig zu gewinnender Biomasse, nämlich aquatischer Biomasse, durch direkte Verbrennung Energie zu erzeugen.The present invention is based on the consideration, instead of a complex extraction of biomass fuels from biomass which is easy and cheap to obtain, namely aquatic biomass, to generate energy by direct combustion.
Unter „aquatischer Biomasse" ist im Sinne dieser Erfindung Biomasse zu verstehen, welche in Wasser entstanden ist oder hergestellt wurde. Unter "Wasser" sind hier Reaktoren, Becken, Seen, marine Gewässer wie Meere, und Flüsse verschiedenster Größe zu verstehen, und zwar sowohl mit Salzwasser als auch mit Süßwasser.For the purposes of the present invention, "aquatic biomass" is to be understood as meaning biomass which has been produced or produced in water. "Water" here means reactors, basins, lakes, marine waters such as oceans, and rivers of various sizes, both with salt water as well as with fresh water.
Die aquatische Biomasse kann pflanzlich oder tierisch sein. Insbesondere hat sich gezeigt, dass Algen, Plankton (Phytoplankton, Zooplankton), Gräser, Pilze und Bakterien vorteilhafte Biomasse sind. Bei der aquatischen Biomasse kann es sich um natürlich vorkommende Biomasse oder Designerorganismen (also gentechnisch veränderte) Organismen handeln, sowie jedes Gemenge daraus.The aquatic biomass can be vegetable or animal. In particular, algae, plankton (phytoplankton, zooplankton), grasses, fungi and bacteria have been shown to be beneficial biomass. The aquatic biomass can be naturally occurring biomass or designer organisms (ie genetically modified) organisms, as well as any mixture thereof.
Bevorzugt werden als aquatische Biomasse Bakterien eingesetzt.Preference is given to using as aquatic biomass bacteria.
Bakterien wachsen viel schneller als Algen, daher sind sie prädestiniert zur Fixierung von Kohlenstoff aus CO2. Die so gewonnene Biomasse kann anschließend erfindungsgemäß zur umweltfreundlichen und effizienten Energiegewinnung durch Verbrennung eingesetzt werden.Bacteria grow much faster than algae, so they are predestined for the fixation of carbon from CO 2 . The biomass thus obtained can then be used according to the invention for environmentally friendly and efficient energy production by combustion.
Die Bakterien sind bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus E-Coli-Bakterien und Cyanobakterien. Weitere einsetzbare Bakterien sind jene der Gruppen Chlamydiae, Chlorobi, Planctomycetes, Proteobacteria, Firmicutes und Spirochaetes.The bacteria are preferably selected from the group consisting of E coli bacteria and cyanobacteria. Further usable bacteria are those of the groups Chlamydiae, Chlorobi, Planctomycetes, Proteobacteria, Firmicutes and Spirochaetes.
Die bevorzugt eingesetzten Bakterien sind dadurch gekennzeichnet, dass sie in Wasser leben und möglichst anspruchslos sind.The preferred bacteria are characterized by the fact that they live in water and are as unpretentious as possible.
Einige dieser Bakterien sind phototroph, also zur Photosynthese fähig, etwa die Cyanobakterien. Andere Mechanismen zur Energiegewinnung aus Sonnenlicht sind auch möglich.Some of these bacteria are phototrophic, ie capable of photosynthesis, such as the cyanobacteria. Other mechanisms for generating energy from sunlight are also possible.
In einer vorteilhaften Ausführung dieses Patents werden Cyanobakterien (auch Blaualgen genannt) eingesetzt. Es können „reine" Cyanobakterien verwendet werden, aber auch Organismen, welche Cyanobakterien in Blatthöhlungen, Knöllchen, etc., besitzen, wie etwa Algenfarne (Azolla).In an advantageous embodiment of this patent, cyanobacteria (also called blue-green algae) are used. "Pure" cyanobacteria can be used, but also organisms that have cyanobacteria in leaf cavities, nodules, etc., such as algae ferns (Azolla).
Die eingesetzten Bakterien können zum Beispiel über Einschleusung eines Plasmids genetisch modifiziert sein.The bacteria used can, for example, be genetically modified via the introduction of a plasmid.
In einer vorteilhaften Ausführung werden Cyanobaktieren und E-CoIi Bakterien mit speziellen Plasmiden eingesetzt. Ein Plasmid ist ein typischerweise zirkuläres DNA-Molekül, welches in den Bakterienzellen vorkommt, aber nicht zum Bakterienchromosom zählt.In an advantageous embodiment, cyanobacteria and E-coli bacteria are used with special plasmids. A plasmid is a typically circular DNA molecule that exists in the bacterial cells but does not belong to the bacterial chromosome.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Chlorophyllbzw. Chlorophyll-Gen- tragendes Plasmid bzw. ein Plasmid, welches Chlorophyll produziert, in die Bakterien (Blaualgen oder E-CoIi) eingeschleust. Durch die bekannte, sehr effiziente Proteinsyntheseleistung der E-CoIi Bakterien wird eine Anreicherung des Cholorophyll- Proteins erreicht.In an advantageous embodiment of the present invention, a Chlorophyllbzw. Chlorophyll-gene-carrying plasmid or a plasmid which produces chlorophyll, introduced into the bacteria (blue-green algae or E-CoIi). Due to the well-known, very efficient protein synthesis performance of the E-CoIi bacteria an enrichment of the cholorophyll protein is achieved.
Das Bakterium produziert nun sehr rasch und effizient Chlorophyll. Dieses Chlorophyll produziert unter Einwirkung von Sonnenlicht nun Zucker und/oder andere organische, energiereiche Stoffe (Kohlenhydrate, Öle, etc.).The bacterium now produces chlorophyll very quickly and efficiently. Under the influence of sunlight, this chlorophyll now produces sugar and / or other organic, energetic substances (carbohydrates, oils, etc.).
Durch die Bakterien wird so eine bessere Ausnützung der Sonnenenergie gegenüber normalen Pflanzen erzielt.The bacteria thus achieve a better utilization of solar energy compared to normal plants.
Speziell diese gentechnisch veränderten Bakterien, wie unten beschrieben, weisen folgenden Vorteil auf: Im Gegensatz zu Pflanzen (Energy Crops, Algen, etc.), welche nur so viel Chlorophyll produzieren, wie sie zur Herstellung des für sie nötigen Zuckers benötigen, kann mit diesen Bakterien signifikant schnelleres Wachstum erzielt werden. Dadurch wächst pro Zeit- und Flächeneinheit mehr Biomasse aus Bakterien als aus Algen oder sonstigen Pflanzen.Specifically, these genetically engineered bacteria, as described below, have the following advantage: Unlike plants (energy crops, algae, etc.), which only so much Producing chlorophyll, as they need to produce the sugar they need, can achieve significantly faster growth with these bacteria. As a result, more biomass from bacteria grows per unit of time and area than from algae or other plants.
Alternativ zu oder zusammen mit den Bakterien können als aquatische Biomasse Algen, Pilze oder andere Organismen eingesetzt werden.As an alternative to or together with the bacteria, algae, fungi or other organisms can be used as the aquatic biomass.
Besonders geeignet sind dabei Algen aus der Gruppe bestehend aus Grünalgen, Rotalgen, Braunalgen, Kieselalgen, Goldalgen, gelbgrüne Algen, Glaucophyta, Haptophyta, Schlundgeißler, Euglenozoa, Dinozoa, Raphidophyceae, Chlorarachniophyta und Picobiliphyta. Picobiliphyta ist besonders vorteilhaft, da närstoffarmes Meerwasser zur Zucht ausreicht.Particularly suitable are algae from the group consisting of green algae, red algae, brown algae, diatoms, gold algae, yellow-green algae, Glaucophyta, Haptophyta, Mouth Fever, Euglenozoa, Dinozoa, Raphidophyceae, Chlorarachniophyta and Picobiliphyta. Picobiliphyta is particularly advantageous because low-salt seawater is sufficient for breeding.
Auch die erfindungsgemäß eingesetzten Algen können genetisch modifiziert sein.The algae used according to the invention may also be genetically modified.
Aus der aquatischen Biomasse können vor der Verbrennung chemische Grundstoffe und/oder Feinchemikalien gewonnen werden. Die chemischen Grundstoffe bzw. Feinchemikalien sind bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Zucker, Biodiesel, Wasserstoff, Ethanol, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen ausgewählt.From the aquatic biomass, basic chemical substances and / or fine chemicals can be obtained before combustion. The basic chemical substances or fine chemicals are preferably selected from the group consisting of sugar, biodiesel, hydrogen, ethanol, carbon monoxide and hydrocarbons.
Vor dem Schritt der Verbrennung der Biomasse kann bevorzugt eine Trocknung oder Vortrocknung der Biomasse durchgeführt werden.Prior to the biomass burning step, drying or predrying of the biomass may preferably be carried out.
Zur Trocknung oder Vortrocknung der Biomasse kann bevorzugt die Abwärme des Verbrennungsvorganges verwendet werden. Von Trocknung wird im Sinne dieser Erfindung gesprochen, wenn nur ein Schritt involviert ist. Falls zumindest ein zweiter Schritt der Trocknung folgt, wird der erste Schritt bzw. die ersten Schritte als "Vortrocknung" bezeichnet.For drying or predrying of the biomass, the waste heat from the combustion process can preferably be used. Drying is used in the sense of this invention if only one step is involved. If at least a second step follows the drying, the first step or the first steps is called "pre-drying".
Weitere bevorzugte Ausfuhrungsformen sind in den Unteransprüchen angeführt.Further preferred embodiments are specified in the subclaims.
Im Folgenden wird die Erfindung schrittweise näher anhand der bevorzugten Verwendung von Bakterien erläutert:In the following, the invention will be explained stepwise in more detail with reference to the preferred use of bacteria:
Schritt 1: Fixierung von Kohlenstoff durch im Wasser lebende Organismen wie etwa Bakterien unter Einwirkung von Sonnenlicht. Produktion von aquatischer BiomasseStep 1: Fixation of carbon by aquatic organisms such as bacteria under the influence of sunlight. Production of aquatic biomass
In Schritt 1 wird Kohlenstoff in aquatischer Biomasse fixiert. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Kohlenstoff aus CO2 in Bakterien fixiert.In step 1, carbon is fixed in aquatic biomass. In an advantageous embodiment, the carbon from CO 2 is fixed in bacteria.
Gemäß der besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden modifizierte Blaualgen oder E-CoIi Bakterien zur Fixierung von Kohlenstoff eingesetzt.According to the particularly preferred embodiment of the present invention, modified blue-green algae or E-coli bacteria are used for the fixation of carbon.
Die Entwicklungsschritte und Einfülirungstechnik von Plasmiden sind den aktuellen Current protocols [4] zu entnehmen (Standardverfahren derThe development steps and the introduction technique of plasmids can be found in the current Current Protocols [4] (standard method of the
Mikrobiologie/Molekulargenetik/chemischen Analyse). Kurz zusammengefasst enthält das benötigte Plasmid in einer vorteilhaften Ausführungsform folgende Teile: Zum ersten einen für Bakterien geeigneten Promotor, alle Exons des Cholorophyllgens mit PoIy-A tail und eine entsprechende Codierung einer Antibiotikumresistenz zur Selektion der plasmidtragenden E. coli bzw. Blaualgen. Für eine Übersicht siehe Figur 1 (exemplarisches Beispiel).Microbiology / molecular genetics / chemical analysis). Briefly summarized, the required plasmid in an advantageous embodiment contains the following parts: First, a promoter suitable for bacteria, all exons of the cholorophyll gene with poly-tail and a corresponding coding of an antibiotic resistance for the selection of the plasmid-carrying E. coli or blue-green algae. For an overview, see FIG. 1 (exemplary example).
Die Abkürzung "Amp" in Figur 1 bedeutet Ampillizin-ResistenzThe abbreviation "Amp" in FIG. 1 means ampillicine resistance
Details finden sich auch in Patentschrift [9].Details can also be found in patent specification [9].
Die Blaualgen und/oder E-CoIi Bakterien können in der freien Natur oder einem geeigneten Zuchtbecken gehalten werden.The blue-green algae and / or E-coli bacteria can be kept outdoors or in a suitable breeding pond.
Das Zuchtbecken sollte so beschaffen sein, dass die Temperatur zwischen 10 und 60°C (vorteilhaft ist 37°C), der pH-Wert zwischen 3 und 11 (vorteilhaft ist etwa 8), der NaCl-Gehalt 0-5% (vorteilhaft ist 0,9%) liegt bzw. eingestellt werden kann.The breeding tank should be such that the temperature is between 10 and 60 ° C (37 ° C is advantageous), the pH between 3 and 11 (advantageously about 8), the NaCl content 0-5% (is advantageous 0.9%) is or can be adjusted.
Zur Aufzucht vor der Aussetzung hat sich folgende Nährlösung bewährt:For rearing before exposure, the following nutrient solution has proven itself:
Casein 10gCasein 10g
Hefeextrakt 5 gYeast extract 5 g
NaCl 5 gNaCl 5 g
NH4Cl i gNH 4 Cl
KH2PO4*2H2O 3 gKH 2 PO 4 * 2H 2 O 3 g
Na2HPO4*2H2O 6 gNa 2 HPO 4 * 2H 2 O 6 g
H2O 90Og-IOOOgH 2 O 90Og-IOOOg
Glukose 4-4OgGlucose 4-4Og
MgSO4*7H2O 24,65 g -246,5 gMgSO 4 .7H 2 O 24.65 g -246.5 g
Auch andere Nährlösungen sind möglich. Das Zuchtbecken kann demnach Süßwasser, Salzwasser (Meerwasser) oder eine Mischung daraus enthalten. Um das Wachstum zu beschleunigen, kann CO2 bzw. ein CO2 enthaltendes Gas durch das Medium des Zuchtbeckens geleitet werden. Dies ist auch vorteilhaft, um den entstehenden Sauerstoff auszutreiben. Es ist möglich, dem Zuchtbecken bzw. dem Wachstumsraum der Organismen Abgase oder CO2 aus dem nachfolgenden Verbrennungsprozess zuzuführen.Other nutrient solutions are possible. The breeding tank may therefore contain fresh water, salt water (seawater) or a mixture thereof. To accelerate the growth, CO 2 or a CO 2 -containing gas can be passed through the medium of the breeding tank. This is also advantageous for expelling the resulting oxygen. It is possible to supply exhaust gases or CO 2 from the subsequent combustion process to the breeding tank or the growth space of the organisms.
Der Gehalt an Bakterien im Zuchtbecken kann von 0,001 bis 98% (Masse) liegen.The content of bacteria in the breeding tank can be from 0.001 to 98% (mass).
Das Plasmid produziert durch Ablesung Chlorophyll. Dieses Chlorophyll befindet sich nun im Bakterium, wo es unter Sonneneinstrahlung z.B. Zucker produziert; Dieser Zucker und/oder andere organische, energiereiche Verbindungen werden im Bakterium angereichert. Diese Anreicherung kann so lange betrieben werden, bis das Bakterium daran stirbt. Durch saure Gärung kann das Bakterium den Zucker auch zu Ethanol umwandeln. Es ist auch möglich, Wasserstoff freizusetzen, wie dies bereits für das Bakterium Clostridium tyrobutyricum JMl gezeigt wurde [5].The plasmid produces by reading chlorophyll. This chlorophyll is now in the bacterium, where it is exposed to sunlight, e.g. Sugar produced; This sugar and / or other organic, high-energy compounds are enriched in the bacterium. This enrichment can be continued until the bacterium dies. By acid fermentation, the bacterium can also convert the sugar to ethanol. It is also possible to release hydrogen, as has already been shown for the bacterium Clostridium tyrobutyricum JMl [5].
Die energiereichen Verbindungen können nun aus dem Zuchtbecken abgezogen werden, entweder wenn sie sich im Bakterium oder in der Lösung außerhalb befinden.The high-energy compounds can now be removed from the breeding tank, either when they are in the bacterium or in the solution outside.
Die Bakterien vermehren sich durch Zellteilung mit einer Verdoppelungsrate von 10 Minuten bis 10 Stunden, typischerweise 3 Stunden.The bacteria multiply by cell division at a doubling rate of 10 minutes to 10 hours, typically 3 hours.
Es ist möglich, im Zuchtbecken nur Blaualgen oder E-CoIi Bakterien zu halten. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform befinden sich weitere Organismen in diesem Zuchtbecken, die auf biologischem Weg andere energiereiche Verbindungen aus den Stoffwechselprodukten der Blaualgen bzw. E-CoIi Bakterien herstellen, wie z.B. H2, Ethanol, Methanol, CO, HCHO, CH4, C2H6, C3H8, C2H4, C3H6, HCOOH, Ester oder Lipide.It is possible to keep only blue-green algae or E-CoIi bacteria in the breeding tank. In a further advantageous embodiment, there are other organisms in this breeding tank, which produce other high-energy compounds from the metabolic products of blue-green algae or E-coli bacteria, such as H 2 , ethanol, methanol, CO, HCHO, CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , C 2 H 4 , C 3 H 6 , HCOOH, esters or lipids.
Auch ist es möglich, die E-CoIi Bakterien oder Blaualgen so über Plasmide zu modifizieren, dass diese nicht nur Chlorophyll erzeugen, sondern auch gezielt Stoffwechselprodukte in der gewünschten Ausbeute und/oder Selektivität.It is also possible to modify the E-coli bacteria or blue-green algae via plasmids in such a way that they not only produce chlorophyll, but also specifically metabolite products in the desired yield and / or selectivity.
Das kann über ein gemeinsames, aber auch über zwei oder mehrere verschiedene Plasmide erreicht werden.This can be achieved via a common, but also via two or more different plasmids.
Es ist auch möglich, mittels einem oder mehrerer geeigneter Plasmide Kohlenwasserstoffe wie Öle oder Biodiesel in Bakterien wie E-CoIi oder Blaualgen zu erzeugen. Letztendlich aber besteht der Zweck des erfϊndungsgemäßen Verfahrens in der Verbrennung der gewonnenen Biomasse. Davor können optional kleine Moleküle, die hier als chemische Grundstoffe bezeichnet werden, gewonnen werden. Dazu zählen z.B. H2, CO und CH4, aber auch C2H2, C2H4, C3H6, HCHO und andere.It is also possible to produce by means of one or more suitable plasmids hydrocarbons such as oils or biodiesel in bacteria such as E-CoIi or blue-green algae. Ultimately, however, the purpose of the inventive method is the combustion of the biomass obtained. Before that, optional small molecules, referred to as chemical precursors, can be obtained. These include, for example, H 2 , CO and CH 4 , but also C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 3 H 6 , HCHO and others.
Wie in Figur 2 gezeigt ist, können bei der Produktion bereits chemische Grundstoffe wie H2, CO und oder CH4 freigesetzt und abgezogen werden.As shown in Figure 2, chemical precursors such as H 2 , CO and or CH 4 may be released and withdrawn during production.
Im Sinne dieser Erfindung sind 2 Wege möglich:For the purposes of this invention, two ways are possible:
a) Produktion von aquatischer Biomasse auf „natürliche Weise" durch Sonnenlicht und/oder b) Produktion von aquatischer Biomasse durch anthropogenen Einfluss und Unterstützung.a) Production of aquatic biomass "naturally" from sunlight and / or b) Production of aquatic biomass through anthropogenic influence and support.
Mit a) ist beispielsweise die Ernte von natürlich in Gewässern vorkommenden Organismen gemeint.By a) is meant, for example, the harvest of naturally occurring organisms in the aquatic environment.
Schritt 2: Abtrennung der bakteriellen BiomasseStep 2: Separation of bacterial biomass
Die Bakterien können durch verschiedene Verfahren von der wässrigen Zuchtlösung getrennt werden (Einsammeln, Ernten). Bewährt haben sich Zentrifugieren, Fällen, Flocken oder Aussalzen, Filtern, Filtrieren, Sieben, Pressen, Flotation. Der Wassergehalt kann zwischen 0,1 und 99% liegen. In den meisten Fällen liegt die gewonnene Biomasse als Suspension bzw. "Slurry" vor.The bacteria can be separated from the aqueous breeding solution by various methods (collection, harvesting). Centrifuging, precipitation, flocculation or salting-out, filtering, filtering, sieving, pressing, flotation have proved successful. The water content can be between 0.1 and 99%. In most cases, the biomass obtained is present as a suspension or "slurry".
Bei der Abtrennung können, ebenso wie in Schritt 1, chemische Grundstoffe freigesetzt werden, die abgezogen und verwertet werden können, beispielsweise H2, CO und/oder CH4.In the separation, as in step 1, chemical precursors can be released, which can be withdrawn and recycled, for example H 2 , CO and / or CH 4 .
Schritt 3: AufbereitungStep 3: Processing
Dieser Schritt ist optional. Es können durch diverse Prozesse nach dem Stand der Technik eine oder mehrere Stoffe abgetrennt oder die Biomasse bzw. ein Teil davon umgewandelt werden.This step is optional. It can be separated by various processes according to the prior art, one or more substances or the biomass or a part thereof to be converted.
Möglich ist z.B. die Gärung oder Fermentation. Biogas, Wasserstoff, etc., können so gewonnen werden. Zweck der Aufbereitung ist die Gewinnung von gasförmigen, festen oder flüssigen Stoffen, die nicht direkt der Verbrennung zugeführt werden. Der Rest der aquatischen Biomasse gelangt zu Schritt 4. Die Verweilzeit der aquatischen Biomasse in Schritt 3 kann bis zu 2000 Stunden betragen.Possible, for example, fermentation or fermentation. Biogas, hydrogen, etc., can be obtained in this way. Purpose of the treatment is the extraction of gaseous, solid or liquid substances that are not directly supplied to the combustion. The rest of the aquatic biomass goes to step 4. The residence time of the aquatic biomass in step 3 can be up to 2000 hours.
Schritt 4: Trocknung/VortrocknungStep 4: Drying / Predrying
Die bakterielle Biomasse kann unter anderem folgendermaßen getrocknet bzw. vorgetrocknet werden:The bacterial biomass can be dried or predried as follows:
• Durch Einwirkung von Sonnenlicht• By exposure to sunlight
• Durch Nutzen der Abwärme aus einem Verbrennungsprozess.• By using the waste heat from a combustion process.
Ersteres ist für Klärschlamm bereits bekannt (Kalogeo-Verfahren) [6]The former is already known for sewage sludge (Kalogeo process) [6]
Unter Trocknung wird die Entfeuchtung verstanden, d.h. die gänzliche oder teilweise Abtrennung von Wasser.Drying means dehumidification, i. the complete or partial removal of water.
In Schritt 4 erfolgt bevorzugt zunächst eine Vortrocknung oder Trocknung der Biomasse. Gleichzeitig oder anstatt kann die Temperatur des Slurry aus aquatischer Biomasse und dessen Druck erhöht werden.In step 4, preferably a predrying or drying of the biomass takes place. At the same time or instead, the temperature of the slurry of aquatic biomass and its pressure can be increased.
Die Energie zur Vortrocknung oder Trocknung kann aus einer oder mehreren der folgenden Quellen stammen:The energy for predrying or drying can come from one or more of the following sources:
- Sonnenenergie- solar energy
- Nutzung der Abwärme aus dem Verbrennungsprozess- Use of waste heat from the combustion process
- Nutzung geothemischer Energie- Use of geothermal energy
Die Trocknung oder Vortrocknung kann auch durch Entwässerung durch Anlegen von Unterdruck oder durch ein anderes geeignetes Verfahren, etwa eine Membrantechnologie erfolgen.The drying or pre-drying can also be done by dewatering by applying negative pressure or by another suitable method, such as a membrane technology.
Nach der Trocknung bzw. Vortrocknung kann die Biomasse gelagert werden. Der Feuchtegehalt beträgt 0,1 bis 99%. Im Falle eines immer noch hohen oder unveränderten Feuchtegehalts werden lediglich Temperatur und/oder Druck des Slurries erhöht.After drying or predrying, the biomass can be stored. The moisture content is 0.1 to 99%. In the case of a still high or unchanged moisture content only the temperature and / or pressure of the slurries are increased.
Der Slurry aus Biomasse und Wasser (Nährlösung, Süßwasser, Salzwasser o. ä.) kann im Trocknungsschritt gleichzeitig auf erhöhte Temperatur und erhöhten Druck gebracht werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform werden diese Schritte kombiniert. Schritt 5: Pyrolyse, VergasungThe slurry of biomass and water (nutrient solution, fresh water, salt water, or the like) can be simultaneously brought to elevated temperature and pressure in the drying step. In an advantageous embodiment, these steps are combined. Step 5: Pyrolysis, gasification
Durch Pyrolyse oder Vergasung (optional) kann ein Teil der aquatischen Biomasse zu gasförmigen Produkten (z.B. CO, H2, CH4) umgesetzt und abgezogen werden. Nach dem Stand der Technik ist das Verfahren der „Polygeneration" bekannt. Entscheidend ist, dass ein fester oder flüssiger Rest an aquatischer Biomasse verbleibt, der Schritt 7 zugeführt wird.By pyrolysis or gasification (optional), a part of the aquatic biomass can be converted to gaseous products (eg CO, H 2 , CH 4 ) and removed. The prior art discloses the process of "polygeneration." It is crucial that a solid or liquid residue of aquatic biomass remains, which is fed to step 7.
Es ist auch möglich, Kohlenstoff abzuscheiden. Dieser kann in der chemischen Industrie eingesetzt werden oder aber auch eingelagert werden.It is also possible to deposit carbon. This can be used in the chemical industry or it can also be stored.
Schritt 6: Mechanische AufbereitungStep 6: Mechanical processing
Im nächsten Schritt, welcher ebenfalls optional ist, kann die Biomasse zu Pellets, Barren oder Pulver gepresst oder gemahlen werden. Auch eine Sprühtrocknung ist möglich. Es ist möglich, diverse Zuschlagstoffe hinzuzufügen, um die Pressung zu hantierbarem Stückgut zu ermöglichen.In the next step, which is also optional, the biomass can be pressed or ground into pellets, ingots or powder. Also a spray drying is possible. It is possible to add various aggregates in order to allow pressing to handle bulk goods.
Schritt 7: VerbrennungStep 7: Combustion
Die Verbrennung der aquatischen Biomasse in einem Kraftwerk, also einer Einrichtung zur Energiegewinnung (Wärme und/oder Kraft wie Elektrizität), ist der wesentliche Schritt der vorliegenden Erfindung.The combustion of the aquatic biomass in a power plant, ie a device for generating energy (heat and / or power such as electricity), is the essential step of the present invention.
Es gelangt dabei, nicht wie im Stand der Technik bekannt, nur eine einzelne aus Biomasse gewonnene gasförmige oder flüssige Komponente zur thermischen Verwertung, sondern Biomasse selbst (ggf. in abgereichter Form nach Abzug von z.B. CO, H2 oder CH4, siehe oben).It comes here, not known as the prior art, only a single biomass derived from gaseous or liquid component for thermal utilization, but biomass itself (possibly in a discharged form after deduction of eg CO, H 2 or CH 4 , see above) ,
Die thermische Verwertung erfolgt hierbei von der nach den Schritten 1 bis 6 behandelten Biomasse.The thermal utilization is carried out here by the treated according to steps 1 to 6 biomass.
Auch eine katalytische Verbrennung der Biomasse ist möglich. Hierbei kann die Biomasse feucht oder auch gar nicht getrocknet sein.A catalytic combustion of the biomass is possible. In this case, the biomass may be moist or not at all dried.
Ebenso ist die Verbrennung in einer mit Sauerstoff angereicherten Atmosphäre sowie die Verbrennung bei hohen bzw. tiefen Temperaturen möglich („Wet combustion", siehe beispielsweise [10]). Die Verbrennung erfolgt bevorzugt durch Einbringung der Biomasse in ein hierfür vorgesehenes Kraftwerk der Größe 0,1 kW bis 100.000 MW. Dieses Kraftwerk kann kontinuierlich betrieben werden. Dabei kann die aquatische Biomasse als alleiniger Brennstoff, aber auch als Co-Feuerung verbrannt werden. Eine typische, geeignete Technologie ist die Wirbelschichtverbrennung oder die Rostfeuerung.Likewise, combustion in an oxygen-enriched atmosphere and combustion at high or low temperatures is possible ("wet combustion", see for example [10]). Combustion is preferably carried out by introducing the biomass into a power plant of the size 0.1 kW to 100,000 MW provided for this purpose. This power plant can be operated continuously. In this case, the aquatic biomass can be burned as the sole fuel, but also as co-firing. A typical suitable technology is fluidized bed combustion or grate firing.
Die Biomasse kann, je nach Feuchtegehalt, auf unterschiedliche Art eingebracht werden.The biomass can, depending on the moisture content, be introduced in different ways.
In einer vorteilhaften Ausführungsform dieser Erfindung erfolgt dies durch:In an advantageous embodiment of this invention this is done by:
- Einblasen von Staub (Korngröße etwa 1 nm bis 10 mm). Das ist typischerweise bei Feuchtegehalten von 0, 1 bis 10% möglich.- Injecting dust (particle size about 1 nm to 10 mm). This is typically possible with moisture contents of 0, 1 to 10%.
- Einbringen von Stückgut (Korngröße etwa 1 mm bis 10 cm). Das ist typischerweise bei Feuchtegehalten von 5 bis 50% möglich.- Introduction of general cargo (grain size about 1 mm to 10 cm). This is typically possible at moisture contents of 5 to 50%.
- Einbringen der in Wasser suspendierten Biomasse. Typischerweise wird das Wasser/Biomassegemisch bei erhöhtem Druck (1-300 bar) und erhöhter Temperatur (50 bis 400°C) eingebracht und verdüst/zerstäubt, um ein rasches Verdampfen des Wassers zu ermöglichen. Das Aufheizen der Suspension aus Biomasse und Wasser erfolgt durch Solarenergie oder durch die Abwärme aus dem Verbrennungsprozess, wie bereits weiter oben offengelegt.- Introduction of biomass suspended in water. Typically, the water / biomass mixture is introduced at elevated pressure (1-300 bar) and elevated temperature (50-400 ° C) and atomized / sprayed to allow rapid evaporation of the water. The heating of the suspension of biomass and water is carried out by solar energy or by the waste heat from the combustion process, as already disclosed above.
Es ist darauf zu achten, dass speziell bei mariner Biomasse und bei Biomasse, welche durch Aussalzen gewonnen wurde, ein hoher Salzgehalt vorliegt. Vor allem Chlor und Alkalimetalle führen zu Korrosion in der Brennkammer und im Rauchgassystem.It must be ensured that there is a high salt content, especially with marine biomass and biomass obtained by salting out. Above all, chlorine and alkali metals lead to corrosion in the combustion chamber and in the flue gas system.
Im nächsten Schritt wird die Energie aus dem Brennstoff in nutzbare Energie umgewandelt. Das kann erfolgen durch:In the next step, the energy from the fuel is converted into usable energy. This can be done by:
- Aufheizen von Wasser in Rohren, welche dem Brennraum/dem Rauchgassystem zugewandt sind bzw. durch diesen verlaufen. Der entstehende Wasserdampf kann nach dem Stand der Technik in einer Turbine zur Stromerzeugung genutzt werden.- Heating water in pipes, which are facing the combustion chamber / the flue gas system and run through it. The resulting water vapor can be used in the prior art in a turbine for power generation.
- Kondensieren des Wasserdampfs im Rauchgas. Dieser Wasserdampf ist im Wesentlichen das verdampfte Wasser aus der Biomasse-Suspension sowie ein Teil der Verbrennungsprodukte. Das Kondensieren kann direkt in einer zweiten Kammer, oder nach einer Turbine, die vom Abgas angetrieben wurde, erfolgen.- Condensation of water vapor in the flue gas. This water vapor is essentially the vaporized water from the biomass suspension as well as part of the Combustion products. The condensing can take place directly in a second chamber, or after a turbine, which was driven by the exhaust gas.
Das Kraftwerk wird vorteilhafterweise in Kraft- Wärme Kopplung betrieben. Ein Teil der Wärme (0-100%) wird zur Trocknung bzw. Vortrocknung der Biomasse verwendet. Das ist insbesondere vorteilhaft, wenn kein Abnehmer für Wärme zur Verfügung steht.The power plant is advantageously operated in combined heat and power. Part of the heat (0-100%) is used to dry or pre-dry the biomass. This is particularly advantageous if no customer for heat is available.
Die solare Trocknung kann nach dem Stand der Technik in Anlehnung an Patentschrift [6] erfolgen.The solar drying can be done according to the prior art based on patent specification [6].
Vor allem die Verbrennung einer Suspension aus Biomasse und Wasser, auch „Slurry" genannt, ist vorteilhaft. Dieser Slurry hat einen Wasseranteil von 1 bis 99%.Above all, the combustion of a suspension of biomass and water, also called "slurry", is advantageous, since this slurry has a water content of 1 to 99%.
Durch die hohe Verdampfungsenergie des Wassers ist die Verbrennungstemperatur teilweise deutlich niedriger als in regulären kalorischen Kraftwerken. Dadurch wird die Bildung von thermischem NOx verhindert.Due to the high evaporation energy of the water, the combustion temperature is sometimes much lower than in regular calorific power plants. This prevents the formation of thermal NOx.
Der Druck im Brennraum kann von 0,1 bis 100 bar betragen, die Temperatur 100 bis 2200°C.The pressure in the combustion chamber can be from 0.1 to 100 bar, the temperature 100 to 2200 ° C.
Der in den Brennraum in einer vorteilhaften Ausfuhrungsform dieser offen gelegten Erfindung eingebrachte Slurry weist bei der Zerstäubung in den Brennraum einen Druck von 1 bis 2000 bar (absolut) auf. Seine Temperatur kann zwischen 4 und 8000C liegen, vorteilhaft zwischen 50 und 400°C.The slurry introduced into the combustion chamber in an advantageous embodiment of this disclosed invention has a pressure of 1 to 2000 bar (absolute) during atomization into the combustion chamber. Its temperature can be between 4 and 800 0 C, advantageously between 50 and 400 ° C.
Es ist möglich, die Verbrennung in einer Atmosphäre von 5 bis 100% Sauerstoff durchzuführen. Durch Abgasrückführung kann die Wärmeenergie des Abgases weiter ausgenützt werden.It is possible to carry out the combustion in an atmosphere of 5 to 100% oxygen. By exhaust gas recirculation, the heat energy of the exhaust gas can be further exploited.
Es ist auch möglich, die Verbrennung durch den Einsatz von Katalysatoren zu beschleunigen.It is also possible to accelerate the combustion through the use of catalysts.
Die Verbrennungsabgase können in das Zuchtbecken (Meer, See, Fluss, etc.) eingeleitet werden, um dort durch Temperaturerhöhung und/oder CO2-Düngung das Wachstum der Biomasse zu beschleunigen.The combustion exhaust gases can be introduced into the breeding tank (sea, lake, river, etc.) to accelerate the growth of the biomass by raising the temperature and / or CO 2 .
CO2-Sequestrierung ist ebenfalls möglich, siehe hierzu den Stand der Technik.CO 2 sequestration is also possible, see the prior art.
Die einzelnen Schritte sowie die Kraftwerkstechnologien können als Stand der Technik angesehen werden. Nach dem Stand der Technik befinden sich Kraftwerke, vor allem große, kalorische, auf dem Festland (onshore) und sind stationär. Falls der Brennstoff im Meer oder auf einem geeigneten Gewässer geerntet wird, ist es unter Umständen vorteilhaft, das Kraftwerk näher an den Ort der Gestehung zu bringen.The individual steps as well as the power plant technologies can be regarded as state of the art. According to the state of the art are power plants, especially large, caloric, onshore (onshore) and are stationary. If the fuel is harvested in the sea or on a suitable body of water, it may be advantageous to bring the power plant closer to the place of production.
Das kann erfolgen, indem das Kraftwerk offshore auf einer geeigneten Plattform installiert wird oder sogar mobil ist, etwa durch Bau auf einem Schiff-ähnlichen Grundkörper. Speziell im Falle eines stationären „Offshore-Kraftwerks" ist es möglich und vorteilhaft, in der näheren Umgebung „Zuchtbehältnisse" zu schaffen, in denen die Biomasse wachsen und geerntet werden kann.This can be done by installing the powerplant offshore on a suitable platform or even mobile, such as by building on a ship-like body. Especially in the case of a stationary "offshore power plant", it is possible and advantageous to create "breeding containers" in the vicinity in which the biomass can grow and be harvested.
Als Zuchtbecken eignen sich u.a. flache Behältnisse, beispielsweise mit Meerwasser geflutete Bereiche von küstennahen Wüsten. Wird Wirbelschichttechnologie zur Verbrennung angewandt, stören auch größere Mengen Sand im Slurry nicht.As breeding tanks u.a. shallow containers, for example seawater-flooded areas of offshore deserts. If fluidized bed technology is used for combustion, even larger amounts of sand in the slurry do not interfere.
Figur 2 illustriert die oben dargestellten Schritte 1 bis 7 eines bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch. FIG. 2 schematically illustrates the above-described steps 1 to 7 of a preferred method according to the invention.
Literaturverzeichnis :Bibliography :
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[9] EP1924601, Expression of Proteins in E.Coli, Novo Nordisk AS, 28.05.2008[9] EP1924601, Expression of Proteins in E. coli, Novo Nordisk AS, 28.05.2008
[10] US3920506, Wet combustion of waste liquors, 18.11.1975.[10] US3920506, Wet combustion of waste liquors, 18.11.1975.
[11] WO2007128800, Process for the conversion of biomass to liquid fuels and specialty chemicals, Bioecon Internat. Holding NV, 15.11.2007. [WO2007128800, Process for the conversion of biomass to liquid fuels and specialty chemicals, Bioecon Internat. Holding NV, 15.11.2007.

Claims

Ansprüche: Claims:
1) Verfahren zur Fixierung von Kohlenstoff und zur Energieerzeugung, umfassend die Schritte:1) Method of fixing carbon and generating energy comprising the steps of:
- Herstellung von aquatischer Biomasse mittels CO2 und Sonnenlicht- Production of aquatic biomass using CO 2 and sunlight
- Verbrennung der aquatischen Biomasse.- combustion of aquatic biomass.
2) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aquatische Biomasse im Meer und/oder in Zuchtbecken hergestellt wird.2) Method according to claim 1, characterized in that the aquatic biomass is produced in the sea and / or in breeding tanks.
3) Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aquatische Biomasse aus der Gruppe bestehend aus Bakterien, Algen, Plankton, Pilzen, Gräsern und Mischungen daraus ausgewählt ist.3) Method according to claim 1 or 2, characterized in that the aquatic biomass is selected from the group consisting of bacteria, algae, plankton, fungi, grasses and mixtures thereof.
4) Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Bakterien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus E-Coli-Bakterien und Cyanobakterien eingesetzt werden.4) Method according to claim 3, characterized in that bacteria selected from the group consisting of E coli bacteria and cyanobacteria are used.
5) Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bakterien über Einschleusung eines Plasmids gentechnisch verändert wurden.5) Method according to one of claims 3 or 4, characterized in that the bacteria were genetically engineered via introduction of a plasmid.
6) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bakterien über das Plasmid Chlorophyll erzeugen.6) Method according to claim 5, characterized in that the bacteria produce chlorophyll via the plasmid.
7) Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Biomasse vor der Verbrennung chemische Grundstoffe und/oder Feinchemikalien gewonnen werden.7) Method according to one of the preceding claims, characterized in that from the biomass prior to combustion chemical precursors and / or fine chemicals are obtained.
8) Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die chemischen Grundstoffe bzw. Feinchemikalien aus der Gruppe bestehend aus Zucker, Biodiesel, Wasserstoff, Ethanol, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen ausgewählt sind.8) Method according to claim 7, characterized in that the chemical precursors or fine chemicals from the group consisting of sugar, biodiesel, hydrogen, ethanol, carbon monoxide and hydrocarbons are selected.
9) Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt der Verbrennung der Biomasse eine Trocknung oder Vortrocknung der Biomasse durchgeführt wird.9) Method according to one of the preceding claims, characterized in that prior to the step of combustion of the biomass drying or predrying of the biomass is carried out.
10) Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Trocknung oder Vortrocknung der Biomasse die Abwärme des Verbrennungsvorganges verwendet wird. 11) Verfaliren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung in einem Kraftwerk mit einer Leistung von 0,1 kW bis 100.000 MW erfolgt.10) A method according to claim 9, characterized in that the waste heat of the combustion process is used for drying or predrying of the biomass. 11) Verfaliren according to one of the preceding claims, characterized in that the combustion takes place in a power plant with a capacity of 0.1 kW to 100,000 MW.
12) Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung in einer mit Sauerstoff angereicherten Atmosphäre durchgeführt wird.12) Method according to one of the preceding claims, characterized in that the combustion is carried out in an oxygen-enriched atmosphere.
13) Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas der Verbrennung in die aquatische Biomasse eingeleitet wird, um das Wachstum derselben durch Temperatur und CO2-Düngung zu steigern.13) Method according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust gas of the combustion is introduced into the aquatic biomass in order to increase the growth of the same by temperature and CO 2 fertilization.
14) Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung katalytisch erfolgt.14) Method according to one of the preceding claims, characterized in that the combustion takes place catalytically.
15) Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aquatische Biomasse zwischen 0,1 und 100% in Co-Feuerung zu konventionellen Brennstoffen wie Erdöl, Öl, Gas oder Kohle eingesetzt wird. 15) Method according to one of the preceding claims, characterized in that the aquatic biomass between 0.1 and 100% in co-firing to conventional fuels such as petroleum, oil, gas or coal is used.
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