WO2013167107A1 - Device and method for bioelectrochemical material conversion (inducing a reduction/oxidation/redox reaction) - Google Patents

Device and method for bioelectrochemical material conversion (inducing a reduction/oxidation/redox reaction) Download PDF

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WO2013167107A1
WO2013167107A1 PCT/DE2013/000247 DE2013000247W WO2013167107A1 WO 2013167107 A1 WO2013167107 A1 WO 2013167107A1 DE 2013000247 W DE2013000247 W DE 2013000247W WO 2013167107 A1 WO2013167107 A1 WO 2013167107A1
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    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters

Definitions

  • the invention is based on a device for bioelectrochemical conversion according to the preamble of claim 1 and a method for operating the device according to the preamble of claim 13.
  • bioelectrochemical processes are already known, such as the closest prior art disclosed in International Patent Application WO2011 / 006939.
  • a three-stage process for the bioelectrochemical wastewater treatment of nitrogen compounds is shown.
  • the first stage a half element is arranged with an anode for the conversion of hydrocarbon compounds.
  • the second stage is formed from an aerobic reactor and in the third stage a half-element is arranged with a cathode for denitrification.
  • a disadvantage of this technical solution is that in this case a large expenditure on equipment is necessary and on the other hand, due to the aerobic reactor stage, higher costs and higher excess sludge are produced.
  • Aerobic biological processes achieve high efficiencies during purification, since oxygen (or air) is blown in until the processing substrate has been oxidized relatively completely. This is with the Disadvantage of a high sludge production and high additional energy requirements.
  • the high efficiencies in the aerobic process are based on the simple technical apparatuses and means used there, via which oxygen (O 2) is provided in sufficient quantity as a terminal electron receptor for the aerobic processes.
  • oxygen O 2
  • the use of oxygen produces a great deal of excess sludge, which must be post-treated relatively expensive following the aerobic process. In any case, this technology is itself very energy-intensive (see "Römpp-Lexikon, Biotechnology aerobic wastewater treatment).
  • the two processes namely for the reduction or elimination of nitrogen on an aerobic or anaerobic basis, can be combined with one another.
  • a combination of methods requires additional energy, for example, for the necessary recirculation.
  • both methods are limited in their substrate spectrum. In the anoxic intermediate region, the energy input as well as the efficiencies due to the substrate distribution is limited. Both methods are thus limited either in the substrate spectrum (for example, metered addition of an external carbon source) or in the synthesis production.
  • Bioelectrochemical denitrification has many advantages as well as in combination with the above techniques.
  • the achievable efficiencies are comparable to the oxidation, as the anode can perform this function without producing the increased excess sludge accumulation.
  • the cathode can take over the function of the electron donor, whereby a possible substrate restriction in the offer can no longer have a limiting effect on the cleaning performance.
  • the electrolysis has high efficiencies with a low sludge production and a broad substrate spectrum, but requires a lot of energy to overcome the cell and ion voltage.
  • the inorganic catalyst consumes during the electrolysis.
  • a mixed process with microbial fuel cell has never become marketable, due to the expensive arrangements.
  • the systems have been optimized for direct energy generation instead of relying on material conversion as a basic process.
  • the bioelectrochemical denitrification also has many advantages in combination with the above process techniques, since oxidation, or reduction, or a redox reaction can be brought about at a specific site and with great independence.
  • the underlying task of the invention
  • the invention has for its object to develop a method and a device for cleaning the contaminant load in a substrate such as sewage, manure, biogas plants and the like.
  • a substrate such as sewage, manure, biogas plants and the like.
  • the method should be combinable with conventional methods in order to optimize them. It is the surplus sludge balance to be improved while reducing the operating costs.
  • the process should have a higher efficiency, as well as a broader substrate spectrum.
  • the expenditure on equipment is reduced in comparison to the previously known methods.
  • the process works membraneless and is thus suitable for both batch and continuous operation, whereby it is irrelevant whether it is a special (aggressive) or moderate environment environment.
  • a biofilm is applied to the at least one anode and / or at least one cathode. Attaching the biomass to the electrodes catalyses the process that is going on. Due to this reduced cell voltage and the energy expenditure is comparatively very low and it must be overcome only the cell voltage of the bacterial mass involved. For this purpose, a low potential is applied from the outside, such as the potentiostat. Thus, the process becomes a low load process. On the one hand, because of the thermodynamic situation of the underlying redox reactions, an excess of the electron can be achieved or, on the other hand, any deficiency for a particular reaction with additional electrons can be compensated.
  • the biofilm on the at least one anode and / or the at least one cathode is a sessile biofilm.
  • a sessile biofilm follows a direct electron uptake and -abgäbe by means of the catalyzing biomass, whereby the usually very large concentration gradient between the fixed at least one electrode biofilm and the surrounding substrate is reduced.
  • Process catalysing sessile biofilm produces less excess sludge.
  • Due to the omission of the introduction of elemental oxygen as the terminal electron acceptor a further reduction of the excess sludge production takes place (see Anaerobic Technique).
  • an electrical conductor is arranged on the at least one anode and / or the at least one cathode for electron transport.
  • an electrical conductor is arranged between the at least one anode and the at least one cathode for electron transport.
  • the device has a material line for the proton transport between the at least one anode and / or the at least one cathode. The proton transport takes place with the substrate, the electron transport via an electrical conductor. The method allows the involved redox partners to deliver the electrons directly from cell to cell.
  • the material line for proton transport is a salt bridge or the like.
  • the device according to the invention several reactors are present, which are connected as a cascade.
  • the arrangement of several reactors connected in series has the advantage that the wastewater to be clarified can be treated with its contaminant load in different stages and thus all individual reactor stages can be preconfigured specifically for the contaminated load (utilization of a concentration gradient).
  • a balance of the bioelectrochemical equilibrium takes place by means of external energy intervention.
  • the equilibrium of the reaction can always be adjusted so that the desired reactions proceed preferentially.
  • the at least one anode and / or the at least one cathode cause a mixing of the at least one reactor.
  • the at least one anode and / or the at least one cathode are in this case designed as an agitator for the at least one reactor.
  • the half elements embodied as stirrers may in this case, for example, take the form of an immersion body, or of an anchor, an inclined blade, a blade or a cross-bar stirrer.
  • the flow baffles known in the prior art can also be used for improved mixing. By stirring the wastewater with its pollution load is always ideally mixed and the desired
  • the device is controlled by a controller. This has the advantage that the entire process can be monitored and regulated in terms of control technology and thus always the optimum process parameters prevail.
  • control is carried out by means of online measurement technology.
  • online or inline measurement the current process parameters available for process control. This makes the process optimally controllable.
  • aqueous and / or gaseous ZuStands with at least one inlet and at least one outlet, wherein by means of at least one feed educts are fed to at least one reactor and there by means of at least one Anode and / or at least one cathode are converted bioelectrochemically, the at least one anode and / or the at least one cathode are exposed to a changing environment in one phase.
  • Advantageous is the possibility of spatial separation of electron donor and acceptor, with potential savings in any feedback or with additional degrees of freedom in the adjustment of environmental conditions, in the sole oxidation or reduction, or in the purification of two different streams.
  • the electrode material is not subject to increased wear by triggering individual elements to catalyze reactions.
  • the electrode material must only be conductive and have no biologically inhibiting or toxic effect.
  • electrode materials are, inter alia, steel, commercial V2A / V4A stainless steel, high-quality alloys, carbon-doped compounds, conductive plastic, graphite, carbon, conductive textiles and other artificial structures (eg fleece) in question.
  • inorganic or organic contaminant load can be converted. For example, in wastewater treatment or biogas production. Process conditions can be created that Transference reactions, such as methanogenesis or acetogenesis.
  • elemental hydrogen can also be produced during the process.
  • inorganic substrate is also treatable.
  • the substrate must not be inhibitory or toxic.
  • Substrate with inorganic carbon is sufficient for cell structure ("Arche bacteria", “autotrophic bacteria”).
  • a correction of the CO 2 value depending on the purpose is necessary or even desirable.
  • a correction of the pH value depending on the application is necessary.
  • the device used for the bioelectrochemical conversion is a device according to one of claims 1 to 12.
  • Fig. 2 shows an additional arrangement of the invention
  • Fig. 3 shows a further arrangement of the device according to the invention.
  • FIG. 1 an arrangement of the device 1 according to the invention is illustrated using an exemplary embodiment and described below.
  • the arrangement shown in Fig. 1 for bioelectrochemical material conversion consists of a rotatable anode 2 and a rotatable cathode 3, wherein both the anode and the cathode electrode surfaces 4 have.
  • a half-element (anode 2 or cathode 3) may consist of different partial surfaces due to the design. Due to the rotatability of the half-elements, the electrodes are used as stirrers as in an agitator and thus thorough mixing of the substrate is achieved. The individual partial surfaces are then correspondingly conductively connected with each other or are in direct contact with each other.
  • a biofilm in particular a sessile biofilm, which serves as catalyst in the process, is arranged on at least one of the electrode surfaces 4 of the two half-elements.
  • a coating of Electrode surfaces 4 with the biofilm may optionally be made in advance or directly over the substrate.
  • the biofilm also called biomass, ubiquitous, so it is in the substrate, which in a sewage treatment plant, for example, represents the wastewater to be purified including the pollution load, where the material conversion is to take place, and does not have to be from outside to or tracked.
  • the substrate can be inoculated in special cases but also from the outside with biomass, which may be bacteria, for example.
  • the substrate is transported via the inlet 5 into the reactor 6 and from there by means of a material line 7 into the reactor 8 and leaves it via the outlet 9 purified the process.
  • the material line 7 may also be a salt bridge or the like., And serves the proton transport in the inventive arrangement.
  • the biofilm lowers the concentration gradient at both the anode and the cathode, making the process a low load process, that is, a small cell voltage 10 can be applied between the anode and the cathode. Furthermore, in some cases, a cell current 1 1 can be tapped.
  • the biomass absorbs at the anode 2 electrons e- from the substrate, and outputs these at the cathode 3 to the substrate.
  • Anode 2 and cathode 3 are connected to each other via an electrical line 12 to ensure the flow of electrons.
  • Redox reactions take place at anode 2 and at cathode 3, respectively, ie at the electrode surfaces 4, either in the case of reduction, electrons are released from the biofilm to the atoms, ions or molecules, or in the case of the oxidation of these.
  • substrate and redox couple is oxidized, for example, at the anode 2 and reduced at the cathode 3.
  • a commonly present aqueous environment is optionally anaerobic, anoxic or aerobic adjustable.
  • a possibly gaseous environment In microbial catalysis, water or substra tion rinsing (see growth body / trickling filter) on an electrode is characterized by partially submerged execution (see disc submersible or static, semi-submerged system) or by cultivation at high air humidity. The gaseous environment is therefore characterized in microbial catalysis by the simultaneous presence of water. It is either aerobic or anaerobic adjustable.
  • FIG. 2 shows an additional arrangement of the device 1 according to the invention for the bioelectrochemical conversion of substrate.
  • a reactor 13 either an anode 2 and / or a cathode 3 is arranged.
  • the reactor 13 is filled via the inlet 14 with substrate and emptied by means of the drain 15.
  • the emitted by the substrate present in the atoms, ions and molecules or captured electrons e ⁇ be performed via an electrical line 16 to either a consumer or provided by an external power source.
  • This arrangement is both in the field of wastewater treatment and in the field of methane production, for example in biogas plants, usable, here on the one hand a sewage treatment and on the other hand, the methane production takes place.
  • the purification of wastewater in sewage treatment plants or the production of methane in biogas plants is realized.
  • the arrangement in conjunction with an anode 2 for example, the yield of methane in a biogas plant can be increased.
  • the arrangement can be retrofitted in biogas plants.
  • the system can also be retrofitted for wastewater treatment.
  • the electrode rotatable in the form of a stirrer, in particular an anchor, a Schrägblattrrockers or the like to design, resulting in an optimized substrate mixing.
  • An additional arrangement of the device according to the invention is shown in FIG. Here, for example, two different substrates are fed into two different reactors 17 and 18 via feeds 19 and 20.
  • the substrate is guided out of reactor 17.
  • Reactor 18 is emptied by means of drain 22.
  • the anode 2 arranged in the reactor 17 is connected via an electrical line 23 to the cathode 3 arranged in the reactor 18, whereby an electron transport from the reactor 17 to the reactor 18 is made possible.
  • the embodiment can be configured with all advantageous arrangements, such as, for example, rotatable electrodes for optimal mixing of the reactors 17 and 18.
  • a proton transport can be realized here via a material line 24, in particular a salt bridge.
  • the substrate is fed via at least one inlet 5, 14, 19 or 20 to the at least one reactor 6, 8, 13, 17 or 18 and via at least one at the reactor 6, 8, 13, 17 or 18 arranged outlet 9, 15, 21st or 22 discharged.
  • Redox reactions which are catalyzed by biomass, take place at the electrode and cause the conversion of the substance. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

The invention relates to a device (1) for bioelectrochemical material conversion of organic and/or inorganic materials in an aqueous and/or gaseous state, comprising at least one inlet (5, 14, 19, 20) and at least one outlet (9, 15, 21, 22). The invention also relates to a method for operating the device (1), wherein at least one anode (2) and/or at least one cathode (3) is arranged in at least one reactor (6, 8, 13, 17, 18), wherein by means of the at least one inlet (5, 14, 19, 20) educts are fed to the at least one reactor (6, 8, 13, 17, 18) and are there bioelectrochemically converted or reacted by means of the at least one anode (2) and/or the at least one cathode (3).

Description

Vorrichtung und Verfahren zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung (Herbeiführen einer Reduktion / Oxidation / Redox-Reaktion)  Apparatus and method for bioelectrochemical conversion (inducing a reduction / oxidation / redox reaction)
Stand der Technik State of the art
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung nach der Gattung des Anspruchs 1 und einem Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach der Gattung des Anspruchs 13. The invention is based on a device for bioelectrochemical conversion according to the preamble of claim 1 and a method for operating the device according to the preamble of claim 13.
Bei den bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Stoffumwandlung von Inhaltsstoffen in Fluiden und auch teilweise in Gasen, die nicht im thermodynamischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung stehen bzw. die ein Redox-Potential aufweisen, haben sich biologische Reinigungsverfahren, insbesondere zur Klärung von Abwasser, als kostengünstigste Verfahren herausgestellt und dadurch in der allgemeinen Anwendung etabliert. Die Nachteile an diesen biologischen Verfahren, hier aerobe und anaerobe Verfahren, beispielsweise bekannt aus der Abwasserreinigung oder der Energiegewinnung, wie z. B. die Patentschriften AT 265152 und AT 81 109 E, sind ein hoher Energieeintrag, eine schwache Energieausbeute, eine teilweise hohe Überschussschlammproduktion, ein beschränktes Substratspektrum sowie teilweise eingeschränkte Wirkungsgrade. Die ebenfalls bekannten chemisch-physikalischen Verfahren, wie die Patentschrift DD 244 743 AI , weisen meist noch höhere Kosten und einen noch darüber hinaus gehenden Energieaufwand auf. Darüber hinaus werden die dort beteiligten Komponenten/ Parameter oftmals nicht umgesetzt, sondern lediglich separiert und aufkonzentriert. In the known devices and methods for the conversion of ingredients in fluids and also partially in gases that are not in thermodynamic equilibrium with their environment or have a redox potential, biological purification process, in particular for clarification of wastewater, as the most cost-effective method and thereby established in the general application. The disadvantages of these biological processes, here aerobic and anaerobic processes, for example, known from wastewater treatment or energy, such. As the patents AT 265152 and AT 81 109 E, are a high energy input, a low energy yield, a partially high excess sludge production, a limited substrate spectrum and partially limited efficiencies. The well-known chemical-physical processes, such as the patent DD 244 743 AI, usually have even higher costs and an even more expensive energy. In addition, the components / parameters involved there are often not implemented, but merely separated and concentrated.
Bei der ebenfalls bekannten Ionenabspaltung mittels Elektrolyse, ebenfalls ein stoffumsetzendes Verfahren, wird ein sehr hoher Energieaufwand erforderlich, wodurch der praktische Einsatz in den Anwendungen sehr eingeschränkt wird. In the likewise known ion elimination by means of electrolysis, also a material-converting process, a very high energy consumption is required, whereby the practical use in the applications is very limited.
Darüber hinaus sind auch bioelektrochemische Verfahren bereits bekannt, wie der der Erfindung nächste Stand der Technik, der in der internationalen Patentanmeldung WO2011 /006939 offenbart wird. In dieser Schrift wird ein dreistufiges Verfahren zur bioelektrochemischen Ab- wasseraufbereitung von Stickstoffverbindungen gezeigt. In der ersten Stufe ist ein Halbelement mit einer Anode zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffverbindungen angeordnet. Die zweite Stufe wird aus einem aeroben Reaktor gebildet und in der dritten Stufe ist ein Halbelement mit einer Kathode zur Denitrifikation angeordnet. Nachteilig an dieser technischen Lösung ist, dass hierbei ein zum einen großer apparativer Aufwand notwendig ist und zum anderen wiederum aufgrund der aeroben Reaktorstufe höhere Kosten und höherer Überschussschlamm produziert werden. In addition, bioelectrochemical processes are already known, such as the closest prior art disclosed in International Patent Application WO2011 / 006939. In this document, a three-stage process for the bioelectrochemical wastewater treatment of nitrogen compounds is shown. In the first stage, a half element is arranged with an anode for the conversion of hydrocarbon compounds. The second stage is formed from an aerobic reactor and in the third stage a half-element is arranged with a cathode for denitrification. A disadvantage of this technical solution is that in this case a large expenditure on equipment is necessary and on the other hand, due to the aerobic reactor stage, higher costs and higher excess sludge are produced.
Nachteile beim Stand der Technik Disadvantages of the prior art
Aerobe biologische Verfahren erzielen hohe Wirkungsgrade bei der Ab- reinigung, da solange Sauerstoff (bzw. Luft) eingeblasen wird bis das verarbeitende Substrat relativ vollständig oxidiert wurde. Dies ist mit dem Nachteil einer hohen Schlammproduktion und hohem zusätzlichen Energiebedarf verbunden. Die hohen Wirkungsgrade beim aeroben Verfahren beruhen auf den dort eingesetzten einfachen technischen Apparaten und Mitteln, über die Sauerstoff (O2) in ausreichender Menge als terminaler Elektronenrezeptor für die aeroben Prozesse bereitgestellt wird. Durch den Sauerstoff-Einsatz wird jedoch sehr viel Überschussschlamm produziert, der im Anschluss an den aeroben Prozess verhältnismäßig teuer nachbehandelt werden muss. In jedem Fall ist diese Technologie an sich sehr energieintensiv (siehe hierzu„Römpp-Lexikon; Biotechnologie aerobe Abwasserbehandlung). Aerobic biological processes achieve high efficiencies during purification, since oxygen (or air) is blown in until the processing substrate has been oxidized relatively completely. This is with the Disadvantage of a high sludge production and high additional energy requirements. The high efficiencies in the aerobic process are based on the simple technical apparatuses and means used there, via which oxygen (O 2) is provided in sufficient quantity as a terminal electron receptor for the aerobic processes. The use of oxygen, however, produces a great deal of excess sludge, which must be post-treated relatively expensive following the aerobic process. In any case, this technology is itself very energy-intensive (see "Römpp-Lexikon, Biotechnology aerobic wastewater treatment).
Im Gegensatz zum aeroben Prozess ist bei anaeroben Verfahren die Überschussschlammproduktion deutlich geringer. Allerdings ist dies mit dem Nachteil verbunden, dass die Verfahren im Wirkungsgrad beschränkt sind, da die beteiligten Stoffe nicht unbegrenzt zur Verfügung stehen, bzw. da hier definitionsgemäß nicht mittels Sauerstoff oxidiert wird (und damit keine Elektronen„nach außen" abgegeben werden können). Auch der hier zu leistende Energieeintrag ist begrenzt, da die Energie lediglich für das Durchmischen des Substrats aufgewandt werden muss. Nachteilig sind hierbei darüber hinaus Verfahren mit einem zusätzlichen Wärmebedarf. In contrast to the aerobic process, excess sludge production is significantly lower in anaerobic processes. However, this is associated with the disadvantage that the methods are limited in their efficiency, since the substances involved are not available indefinitely, or since, by definition, oxygen is not oxidized here (and therefore no electrons can be released "to the outside"). The energy input to be made here is also limited since the energy only has to be expended for the mixing of the substrate, with the additional disadvantage of processes with an additional heat requirement.
Je nach Verfahren und gewünschter Wirkung sind die beiden Prozesse, nämlich zur Reduktion bzw. Elimination von Stickstoff auf aerober oder anaerober Basis miteinander kombinierbar. Eine derartige Verfahrenskombination benötigt jedoch zusätzliche Energie bspw. für die hierbei notwendige Rezirkulation. Überdies sind beide Verfahren in ihrem Substratspektrum eingeschränkt. Im anoxischen Zwischenbereich ist der Energieeintrag wie auch die Wirkungsgrade aufgrund der Substratverteilung begrenzt. Beide Verfahren sind somit entweder im Substratspektrum (beispielsweise Zudosierung einer externen Kohlenstoffquelle) oder in der Syntheseproduktion beschränkt. Depending on the process and the desired effect, the two processes, namely for the reduction or elimination of nitrogen on an aerobic or anaerobic basis, can be combined with one another. However, such a combination of methods requires additional energy, for example, for the necessary recirculation. Moreover, both methods are limited in their substrate spectrum. In the anoxic intermediate region, the energy input as well as the efficiencies due to the substrate distribution is limited. Both methods are thus limited either in the substrate spectrum (for example, metered addition of an external carbon source) or in the synthesis production.
Die bioelektrochemische Denitrifikation weist in sich, sowie in Kombination mit obigen Verfahrenstechniken, viele Vorteile auf. Die erzielbaren Wirkungsgrade sind vergleichbar der Oxidation, da die Anode diese Funktion übernehmen kann, ohne dabei den erhöhten Überschuss- Schlammanfall zu produzieren. Die Kathode kann die Funktion des Elektronendonators übernehmen, wobei sich eine mögliche Substratbeschränkung im Dargebot nicht mehr limitierend auf die Reinigungsleistung auswirken kann. Bioelectrochemical denitrification has many advantages as well as in combination with the above techniques. The achievable efficiencies are comparable to the oxidation, as the anode can perform this function without producing the increased excess sludge accumulation. The cathode can take over the function of the electron donor, whereby a possible substrate restriction in the offer can no longer have a limiting effect on the cleaning performance.
Die Elektrolyse weist hohe Wirkungsgrade bei einer niedrigen Schlammproduktion und einem breiten Substratspektrum auf, erfordert jedoch einen hohen Energieaufwand zur Überwindung der Zell- und Ionenspannung. Zudem verbraucht sich der anorganische Katalysator während der Elektrolyse. Ein gemischtes Verfahren mit mikrobieller Brennstoffzelle ist nie marktreif geworden, was auf die teuren Anordnungen zurückzuführen ist. Auch wurden die Systeme vielfach auf die direkte Energieerzeugung hin optimiert, anstatt auf die Stoffumsetzung als grundlegenden Prozess zu bauen. The electrolysis has high efficiencies with a low sludge production and a broad substrate spectrum, but requires a lot of energy to overcome the cell and ion voltage. In addition, the inorganic catalyst consumes during the electrolysis. A mixed process with microbial fuel cell has never become marketable, due to the expensive arrangements. In many cases, the systems have been optimized for direct energy generation instead of relying on material conversion as a basic process.
Die bioelektrochemische Denitrifikation weist auch in Kombination mit obigen Verfahrenstechniken viele Vorteile auf, da an gezielter Stelle und mit großer Unabhängigkeit eine Oxidation, beziehungsweise eine Reduktion, bzw. eine Redox- Reaktion herbeigeführt werden kann. Der Erfindung zur Grunde liegende Aufgabe The bioelectrochemical denitrification also has many advantages in combination with the above process techniques, since oxidation, or reduction, or a redox reaction can be brought about at a specific site and with great independence. The underlying task of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zur Grunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Reinigung der Schmutzfracht in einem Substrat wie Abwassergülle, Gülle, Biogasanlagen und dgl. bei reduzierter Energiezufuhr und möglicherweise Energieüberschuss, bzw. Syntheseprodukt- Erzeugung (beispielsweise Biogas) zu entwickeln. Das Verfahren soll mit herkömmlichen Verfahren kombinierbar sein, um diese zu optimieren. Es soll die Überschussschlammbilanz verbessert werden bei gleichzeitiger Reduktion der Betriebskosten. Darüber hinaus soll der Prozess einen höheren Wirkungsgrad, sowie ein breiteres Substratspektrum aufweisen. The invention has for its object to develop a method and a device for cleaning the contaminant load in a substrate such as sewage, manure, biogas plants and the like. With reduced energy input and possibly energy surplus, or synthesis product production (eg biogas). The method should be combinable with conventional methods in order to optimize them. It is the surplus sludge balance to be improved while reducing the operating costs. In addition, the process should have a higher efficiency, as well as a broader substrate spectrum.
Die Erfindung und ihre Vorteile The invention and its advantages
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung von organischen und /oder anorganischen Stoffen wässrigen und /oder gasförmigen Zustande mit wenigstens einem Zulauf und wenigstens einem Ablauf mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 13, haben demgegenüber den Vorteil, dass in mindestens einem Reaktor mindestens eine Anode und/oder mindestens eine Kathode angeordnet ist wobei mittels des wenigstens einen Zulaufs Edukte dem mindestens einem Reaktor zugeführt werden und dort mittels der mindestens einen Anode und/ oder der mindestens einen Kathode bioelektrochemisch umgewandelt bzw. umgesetzt werden. Hierdurch wird der apparative Aufwand im Vergleich zu den bisher bekannten Verfahren reduziert. Zudem arbeitet das Verfahren membranlos und ist somit sowohl für den Batch- wie auch den kontinuierlichen Betrieb geeignet, wobei es unerheblich ist, ob es sich um ein spezielles (aggressives) oder moderates Umgebungsmilieu handelt. The device according to the invention for the bioelectrochemical conversion of organic and / or inorganic substances aqueous and / or gaseous state with at least one inlet and at least one sequence with the characterizing features of claim 1, and the inventive method for operating the device, with the characterizing features of the claim 13, in contrast, have the advantage that at least one anode and / or at least one cathode is arranged in at least one reactor, wherein educts are fed to the at least one reactor by means of the at least one inlet and there by means of the at least one anode and / or the at least one cathode be converted or converted bioelectrochemically. As a result, the expenditure on equipment is reduced in comparison to the previously known methods. In addition, the process works membraneless and is thus suitable for both batch and continuous operation, whereby it is irrelevant whether it is a special (aggressive) or moderate environment environment.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Biofilm auf die mindestens eine Anode und/oder mindestens eine Kathode aufgebracht. Durch das Anbringen der Biomasse auf den Elektroden wird der ablaufende Prozess katalysiert. Durch diese reduzierte Zellspannung ist auch der energetische Aufwand vergleichsweise sehr gering und es muss lediglich die Zellspannung der beteiligten Bakterienmasse überwunden werden. Hierzu wird von außen ein geringes Potential angelegt, wie beispielsweise beim Potentiostat. Somit wird aus dem Prozess ein Schwachlastprozess. Aufgrund der thermodynamischen Situation der zu Grunde liegenden Redox-Reaktionen ist dabei einerseits ein Elektronenüberschuss erzielbar bzw. ist andererseits ein etwaiger Mangel für eine bestimmte Reaktion mit zusätzlichen Elektronen auszugleichen. Es ist erfindungsgemäß möglich, Reduktion und Oxidation einzeln auszuführen, miteinander auszuführen oder voneinander zu trennen, bzw. Redox-Reaktionen zwischen Partnern zu ermöglichen, deren Redox- Potential sonst nicht erschließbar wäre (beispielsweise direkte anaerobe Ammonium- Elimination ohne Bildung von NO2, NO3) . According to an advantageous embodiment of the device according to the invention, a biofilm is applied to the at least one anode and / or at least one cathode. Attaching the biomass to the electrodes catalyses the process that is going on. Due to this reduced cell voltage and the energy expenditure is comparatively very low and it must be overcome only the cell voltage of the bacterial mass involved. For this purpose, a low potential is applied from the outside, such as the potentiostat. Thus, the process becomes a low load process. On the one hand, because of the thermodynamic situation of the underlying redox reactions, an excess of the electron can be achieved or, on the other hand, any deficiency for a particular reaction with additional electrons can be compensated. According to the invention, it is possible to carry out, carry out or separate from one another reduction or oxidation, or to allow redox reactions between partners whose redox potential otherwise would not be accessible (for example, direct anaerobic ammonium elimination without formation of NO 2, NO 3). ,
Im Vergleich zu bisherigen bekannten Verfahren, beispielsweise der Elektrolyse, läuft das Verfahren jedoch mit deutlich verminderter Spannung ab, da nicht der Vorgang einer erzwungenen Ionen-Entladung zu Grunde liegt, sondern die Redox-Reaktion mit direkter Elektronenübergabe biologisch katalysiert wird. Compared to previous known methods, such as electrolysis, but the process proceeds with significantly reduced voltage, since not the process of forced ion discharge is based, but the redox reaction is biologically catalyzed with direct electron transfer.
Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Biofilm auf der mindestens einen Anode und/ oder der mindestens einen Kathode ein sessiler Biofilm. Somit er- folgt eine direkte Elektronenaufnahme und -abgäbe mittels der katalysierenden Biomasse, wodurch das üblicherweise sehr große Konzentration sgefälle zwischen dem auf der mindestens einen Elektrode fixierten Biofilm und dem umgebenden Substrat verkleinert wird. Durch den Pro- zess katalysierenden sessilen Biofilm wird weniger Überschussschlamm produziert. Des Weiteren findet aufgrund des Verzichts der Einbringung von elementarem Sauerstoff als terminalen Elektronenakzeptor eine nochmalige Reduktion der Überschuss Schlammproduktion statt (vgl. Anaerob-Technik) . According to an advantageous embodiment of the device according to the invention, the biofilm on the at least one anode and / or the at least one cathode is a sessile biofilm. Thus, follows a direct electron uptake and -abgäbe by means of the catalyzing biomass, whereby the usually very large concentration gradient between the fixed at least one electrode biofilm and the surrounding substrate is reduced. Process catalysing sessile biofilm produces less excess sludge. Furthermore, due to the omission of the introduction of elemental oxygen as the terminal electron acceptor, a further reduction of the excess sludge production takes place (see Anaerobic Technique).
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist an der mindestens einen Anode und/ oder der mindestens einen Kathode für einen Elektronentransport ein elektrischer Leiter angeordnet. Durch diese Anordnung können die an der mindestens einen Anode aufgenommenen Elektronen bzw. die an der mindestens einen Kathode abgegebenen Elektronen dem Prozess ab- bzw. zugeführt werden. Somit besteht die Möglichkeit die an der mindestens einen Anode anfallenden Elektronen als erzeugten Strom anderweitigen Verbrauchern zuzuführen. Die Anordnung dient somit zusätzlich als Stromquelle. According to an additional advantageous embodiment of the device according to the invention, an electrical conductor is arranged on the at least one anode and / or the at least one cathode for electron transport. By virtue of this arrangement, the electrons received at the at least one anode or the electrons emitted at the at least one cathode can be removed or supplied to the process. Thus, it is possible to supply the electrons accumulating at the at least one anode to other consumers as a generated current. The arrangement thus additionally serves as a power source.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zwischen der mindestens einen Anode und der mindestens einen Kathode für einen Elektronentransport ein elektrischer Leiter angeordnet. Durch eine Kopplung der mindestens einen Anode und der mindestens einen Kathode können die an der mindestens einen Anode abgegebenen Elektronen direkt an die mindestens eine Kathode abgeführt werden. Somit ist ein externer Elektronendonator nicht notwendig. Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung eine Stoffleitung für den Protonentransport zwischen der mindestens einen Anode und/ oder der mindestens einen Kathode auf. Der Protonentransport erfolgt mit dem Substrat, der Elektronentransport über einen elektrischen Leiter. Das Verfahren ermöglicht es den beteiligten Redox- Partnern die Elektronen auf direktem Wege von Zelle zu Zelle abzugeben bzw. aufzunehmen. Dadurch wird vorteilhafterweise im Prozessablauf weniger bis keine Energie mehr für etwaige Zwischenschritte verbraucht. Es wird weniger Energie zur Aufrechterhaltung von Zellaktivität (Metabolismus) aufgewendet und es steht somit mehr Energie für andere Aufgaben oder sogar als Energieüberschuss zur Verfügung. Unter sonst gleichen Bedingungen kann das zur Verfügung stehende Potential des Substrats also effektiver genutzt werden bzw. der Wirkungsgrad unterliegt u. U. nicht mehr einer Beschränkung durch sonst mangelndes Substratangebot (Beispiel: C/N- Verhältnis). According to an additional advantageous embodiment of the device according to the invention, an electrical conductor is arranged between the at least one anode and the at least one cathode for electron transport. By coupling the at least one anode and the at least one cathode, the electrons released at the at least one anode can be dissipated directly to the at least one cathode. Thus, an external electron donor is not necessary. According to an additional advantageous embodiment of the device according to the invention, the device has a material line for the proton transport between the at least one anode and / or the at least one cathode. The proton transport takes place with the substrate, the electron transport via an electrical conductor. The method allows the involved redox partners to deliver the electrons directly from cell to cell. As a result, advantageously less or no energy is consumed in the process flow for any intermediate steps. Less energy is spent on maintaining cell activity (metabolism), so there is more energy available for other tasks or even energy surplus. Under otherwise identical conditions, the available potential of the substrate can therefore be used more effectively or the efficiency is subject u. U. no longer a restriction by otherwise lacking substrate supply (example: C / N ratio).
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Stoffleitung für den Protonentransport eine Salzbrücke oder dgl.. According to an additional advantageous embodiment of the device according to the invention, the material line for proton transport is a salt bridge or the like.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind mehrere Reaktoren vorhanden, die als Kaskade geschaltet sind. Die Anordnung von mehreren hintereinander geschalteten Reaktoren hat den Vorteil, dass das zu klärende Abwasser mit samt seiner Schmutzfracht in verschiedenen Stufen behandelt werden kann und somit alle einzelnen Reaktorstufen speziell auf die Schmutzfracht vorkonfiguriert werden können (Ausnutzung eines Konzentrationsgradienten). Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt ein Ausgleich des bioelektrochemischen Gleichgewichtes mittels externen Energieeingriffs. Somit kann das Gleichgewicht der Reaktion stets so eingestellt werden, dass die gewünschten Reaktionen bevorzugt ablaufen. According to an additional advantageous embodiment of the device according to the invention several reactors are present, which are connected as a cascade. The arrangement of several reactors connected in series has the advantage that the wastewater to be clarified can be treated with its contaminant load in different stages and thus all individual reactor stages can be preconfigured specifically for the contaminated load (utilization of a concentration gradient). According to an additional advantageous embodiment of the device according to the invention, a balance of the bioelectrochemical equilibrium takes place by means of external energy intervention. Thus, the equilibrium of the reaction can always be adjusted so that the desired reactions proceed preferentially.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bewirken die mindestens eine Anode und/oder die mindestens eine Kathode eine Durchmischung des mindestens einen Reaktors. Die mindestens eine Anode und/oder die mindestens eine Kathode sind hierbei als Rührwerk für den mindestens einen Reaktor ausgeführt. Die als Rührer ausgeführten Halbelemente können hierbei beispielsweise die Form eines Tauchkörpers, bzw. eines Anker-, eines Schrägblatt-, eines Blatt- oder eines Kreuzbalkenrührers annehmen. Darüber hinaus können auch für eine verbesserte Vermischung die im Stand der Technik bekannten Strömungsstörer eingesetzt werden. Durch das Rühren wird das Abwasser mit seiner Schmutzfracht stets ideal vermischt und die gewünschten According to an additional advantageous embodiment of the device according to the invention, the at least one anode and / or the at least one cathode cause a mixing of the at least one reactor. The at least one anode and / or the at least one cathode are in this case designed as an agitator for the at least one reactor. The half elements embodied as stirrers may in this case, for example, take the form of an immersion body, or of an anchor, an inclined blade, a blade or a cross-bar stirrer. In addition, the flow baffles known in the prior art can also be used for improved mixing. By stirring the wastewater with its pollution load is always ideally mixed and the desired
Prozesse können optimal ablaufen.  Processes can run optimally.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Vorrichtung durch eine Steuerung geregelt. Dies hat den Vorteil, dass der gesamte Prozess steuerungstechnisch überwacht und geregelt werden kann und somit immer die optimalen Prozessparameter vorherrschen. According to an additional advantageous embodiment of the device according to the invention, the device is controlled by a controller. This has the advantage that the entire process can be monitored and regulated in terms of control technology and thus always the optimum process parameters prevail.
Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Steuerung mittels Online-Messtechnik. Durch den Einsatz der Online- bzw. Inline-Messung sind stets die aktu- eilen Prozessparameter für die Prozesssteuerung verfügbar. Hierdurch wird der Prozess optimal regel- und steuerbar. According to a related advantageous embodiment of the device according to the invention, the control is carried out by means of online measurement technology. Through the use of online or inline measurement, the current process parameters available for process control. This makes the process optimally controllable.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung von organischen und/ oder anorganischen Stoffen wässrigen und/ oder gasförmigen ZuStands mit wenigstens einem Zulauf und wenigstens einem Ablauf, wobei mittels des wenigstens einen Zulaufs Edukte zum mindestens einem Reaktor zugeführt werden und dort mittels mindestens einer Anode und /oder mindestens einer Kathode bioelektrochemisch umgewandelt werden, sind die mindestens eine Anode und /oder die mindestens eine Kathode einem wechselnden Milieu in einer Phase ausgesetzt. Vorteilhaft ist die Möglichkeit der räumlichen Trennung von Elektronendonator und -akzeptor, mit Einsparpotentialen bei etwaiger Rückführung oder mit zusätzlichen Freiheitsgraden bei der Einstellung der Milieubedingungen, bei der alleinigen Oxidation oder Reduktion, oder bei der Abreinigung zweier unterschiedlicher Stoffströme. According to an advantageous embodiment of the method according to the invention for the bioelectrochemical conversion of organic and / or inorganic substances aqueous and / or gaseous ZuStands with at least one inlet and at least one outlet, wherein by means of at least one feed educts are fed to at least one reactor and there by means of at least one Anode and / or at least one cathode are converted bioelectrochemically, the at least one anode and / or the at least one cathode are exposed to a changing environment in one phase. Advantageous is the possibility of spatial separation of electron donor and acceptor, with potential savings in any feedback or with additional degrees of freedom in the adjustment of environmental conditions, in the sole oxidation or reduction, or in the purification of two different streams.
Hierbei unterliegt das Elektrodenmaterial keinem erhöhten Verschleiß durch Auslösung einzelner Elemente zur Katalyse von Reaktionen. Das Elektrodenmaterial muss dabei lediglich leitfähig sein und keine biologisch hemmende oder toxische Wirkung aufweisen. Als Elektrodenmaterialien kommen unter anderem Stahl, handelsüblicher V2A/V4A Edelstahl, hochwertige Legierungen, kohlenstoffdotierte Verbindungen, leitfähiger Kunststoff, Graphit, Kohle, leitfähige Textilien und andere künstliche Gebilde (Bsp. Vlies) in Frage. Je nach gewünschter Reaktion und vorhandenem Substrat kann dabei beispielsweise, aber nicht ausschließlich, anorganische oder organische Schmutzfracht umgewandelt werden. Beispielsweise bei der Abwasserreinigung oder der Biogasgewinnung. Es können dabei Prozessbedingungen geschaffen werden, die die anschlie- Senden Überlagerungsreaktionen favorisieren, wie beispielsweise die Me- thanogenese oder die Acetogenese. Bei einer entsprechenden Einstellung des Milieus und gegebenenfalls des Substrats kann während des Prozesses auch elementarer Wasserstoff produziert werden. Da der Prozess prinzipiell lediglich eine Elektronenabgabe und -aufnähme ermöglicht, wird zudem auch anorganisches Substrat behandelbar. Hierzu darf das Substrat nicht hemmend oder toxisch sein. Ausreichend ist vielfach Substrat mit anorganischem Kohlenstoff zum Zellaufbau („Arche- Bakterien", „autotrophe Bakterien"). Gegebenenfalls ist eine Korrektur des C02-Wertes je nach Einsatzzweck notwendig, bzw. auch erwünscht. Gegebenenfalls ist eine Korrektur des pH-Wertes je nach Einsatzzweck notwendig. Here, the electrode material is not subject to increased wear by triggering individual elements to catalyze reactions. The electrode material must only be conductive and have no biologically inhibiting or toxic effect. As electrode materials are, inter alia, steel, commercial V2A / V4A stainless steel, high-quality alloys, carbon-doped compounds, conductive plastic, graphite, carbon, conductive textiles and other artificial structures (eg fleece) in question. Depending on the desired reaction and the substrate present, for example, but not exclusively, inorganic or organic contaminant load can be converted. For example, in wastewater treatment or biogas production. Process conditions can be created that Transference reactions, such as methanogenesis or acetogenesis. With an appropriate adjustment of the environment and optionally of the substrate, elemental hydrogen can also be produced during the process. In principle, since the process only allows for electron donation and absorption, inorganic substrate is also treatable. For this, the substrate must not be inhibitory or toxic. Substrate with inorganic carbon is sufficient for cell structure ("Arche bacteria", "autotrophic bacteria"). Optionally, a correction of the CO 2 value depending on the purpose is necessary or even desirable. If necessary, a correction of the pH value depending on the application is necessary.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die verwendete Vorrichtung zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12. According to an additional advantageous embodiment of the method according to the invention, the device used for the bioelectrochemical conversion is a device according to one of claims 1 to 12.
Aufgrund dieser Merkmale laufen in der Vorrichtung und im Verfahren zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung eines fest- oder gasförmigen Substrats an den dem Substrat ausgesetzten Elektrodenflächen der mik- robiellen Brennstoffzelle deutlich verbesserte Redox-Reaktionen ab. Because of these features, significantly improved redox reactions take place in the device and in the method for the bioelectrochemical conversion of a solid or gaseous substrate on the electrode surfaces of the microbial fuel cell exposed to the substrate.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. Zeichnung Further advantages and advantageous embodiments of the invention are the following description, the drawings and claims removed. drawing
Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gegenstands sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen Preferred embodiments of the subject invention are illustrated in the drawings and will be explained in more detail below. Show it
Fig. 1 eine Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 1 shows an arrangement of the device according to the invention,
Fig. 2 eine zusätzliche eine Anordnung der erfindungsgemäßen Fig. 2 shows an additional arrangement of the invention
Vorrichtung mit nur einem Reaktor und einer Elektrode und  Device with only one reactor and one electrode and
Fig. 3 eine weitere Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Fig. 3 shows a further arrangement of the device according to the invention.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Description of the embodiments
In Fig. 1 wird eine Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt und im Folgenden beschrieben. Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung besteht aus einer drehbaren Anode 2 und einer drehbaren Kathode 3, wobei sowohl die Anode als auch die Kathode Elektrodenflächen 4 aufweisen. Ein Halbelement (Anode 2 oder Kathode 3) kann hierbei bauartbedingt aus verschiedenen Teilflächen bestehen. Durch die Drehbarkeit der Halbelemente werden die Elektroden als Rührer wie bei einem Rührwerk eingesetzt und somit wird Durchmischung des Substrats erzielt. Die einzelnen Teilflächen sind dann entsprechend leitend untereinander verbunden oder stehen in direktem Kontakt miteinander. Erfindungsgemäß ist an mindestens einer der Elektrodenflächen 4 der zwei Halbelemente ein Biofilm, insbesondere ein sessiler Biofilm, welcher in dem Prozess als Katalysator dient, angeordnet. Eine Beschichtung der Elektrodenflächen 4 mit dem Biofilm kann wahlweise vorab vorgenommen werden oder erfolgt direkt über das Substrat. Üblicherweise ist der Biofilm, auch Biomasse genannt, ubiquitär, also dabei im Substrat, welches bei einer Kläranlage beispielsweise das aufzureinigende Abwasser inklusive der Schmutzfracht darstellt, an dem die Stoffumwandlung stattfinden soll, enthalten und muss nicht von außen zu oder nachgeführt werden. Darüber hinaus kann das Substrat in speziellen Fällen aber auch von außen mit Biomasse, welche beispielsweise Bakterien sein können, angeimpft werden. Das Substrat wird über den Zulauf 5 in den Reaktor 6 und von dort mittels einer Stoffleitung 7 in den Reaktor 8 transportiert und verlässt diesen über den Ablauf 9 aufgereinigt den Pro- zess. Die Stoffleitung 7 kann auch eine Salzbrücke oder dgl. sein und dient dem Protonentransport in der erfindungsgemäßen Anordnung. Durch den Biofilm wird das Konzentrationsgefälle sowohl an der Anode als auch an der Kathode herabgesetzt, wodurch der Prozess zu einem Schwachlastprozess wird, d. h. dass eine geringe Zellspannung 10 zwischen Anode und Kathode angelegt werden kann. Des Weiteren kann in manchen Fällen auch ein Zellstrom 1 1 abgegriffen werden. Die Biomasse nimmt an der Anode 2 Elektronen e- aus dem Substrat auf, bzw. gibt diese an der Kathode 3 an das Substrat ab. Anode 2 und Kathode 3 sind untereinander über eine elektrische Leitung 12 verbunden um den Elektronenfluss zu gewährleisten. An Anode 2 und an Kathode 3 finden jeweils Redox- Reaktionen statt, d. h. an den Elektrodenflächen 4 werden entweder im Falle der Reduktion Elektronen e- vom Biofilm an die Atome, Ionen oder Molekülen abgegeben, oder im Falle der Oxidation von diesen aufgenommen. Je nach Anwendung, Substrat und Redox-Paar wird beispielsweise an der Anode 2 oxidiert und an der Kathode 3 reduziert. In Fig. 1, an arrangement of the device 1 according to the invention is illustrated using an exemplary embodiment and described below. The arrangement shown in Fig. 1 for bioelectrochemical material conversion consists of a rotatable anode 2 and a rotatable cathode 3, wherein both the anode and the cathode electrode surfaces 4 have. A half-element (anode 2 or cathode 3) may consist of different partial surfaces due to the design. Due to the rotatability of the half-elements, the electrodes are used as stirrers as in an agitator and thus thorough mixing of the substrate is achieved. The individual partial surfaces are then correspondingly conductively connected with each other or are in direct contact with each other. According to the invention, a biofilm, in particular a sessile biofilm, which serves as catalyst in the process, is arranged on at least one of the electrode surfaces 4 of the two half-elements. A coating of Electrode surfaces 4 with the biofilm may optionally be made in advance or directly over the substrate. Usually, the biofilm, also called biomass, ubiquitous, so it is in the substrate, which in a sewage treatment plant, for example, represents the wastewater to be purified including the pollution load, where the material conversion is to take place, and does not have to be from outside to or tracked. In addition, the substrate can be inoculated in special cases but also from the outside with biomass, which may be bacteria, for example. The substrate is transported via the inlet 5 into the reactor 6 and from there by means of a material line 7 into the reactor 8 and leaves it via the outlet 9 purified the process. The material line 7 may also be a salt bridge or the like., And serves the proton transport in the inventive arrangement. The biofilm lowers the concentration gradient at both the anode and the cathode, making the process a low load process, that is, a small cell voltage 10 can be applied between the anode and the cathode. Furthermore, in some cases, a cell current 1 1 can be tapped. The biomass absorbs at the anode 2 electrons e- from the substrate, and outputs these at the cathode 3 to the substrate. Anode 2 and cathode 3 are connected to each other via an electrical line 12 to ensure the flow of electrons. Redox reactions take place at anode 2 and at cathode 3, respectively, ie at the electrode surfaces 4, either in the case of reduction, electrons are released from the biofilm to the atoms, ions or molecules, or in the case of the oxidation of these. Depending on the application, substrate and redox couple is oxidized, for example, at the anode 2 and reduced at the cathode 3.
Ein üblicherweise vorhandenes wässriges Milieu ist wahlweise anaerob, anoxisch oder aerob einstellbar. Ein möglicherweise gasförmiges Milieu an einer Elektrode ist bei mikrobieller Katalyse durch Wasser- oder Sub- stra tum Spülung (vgl. Aufwuchskörper/Tropfkörper) durch teilweise getauchte Ausführung (vgl. Scheibentauchkörper oder statisches, halbgetauchtes System), bzw. durch Kultivierung bei hoher Luftfeuchte charakterisiert. Das gasförmige Milieu ist also bei mikrobieller Katalyse durch gleichzeitiges Vorhandensein von Wasser charakterisiert. Es ist wahlweise aerob oder anaerob einstellbar. A commonly present aqueous environment is optionally anaerobic, anoxic or aerobic adjustable. A possibly gaseous environment In microbial catalysis, water or substra tion rinsing (see growth body / trickling filter) on an electrode is characterized by partially submerged execution (see disc submersible or static, semi-submerged system) or by cultivation at high air humidity. The gaseous environment is therefore characterized in microbial catalysis by the simultaneous presence of water. It is either aerobic or anaerobic adjustable.
Fig. 2 stellt eine zusätzliche Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung von Substrat dar. In einem Reaktor 13 ist entweder eine Anode 2 und/ oder eine Kathode 3 angeordnet. Der Reaktor 13 wird über den Zulauf 14 mit Substrat befüllt und mittels des Ablaufs 15 entleert. Die durch die im Substrat vorhandenen Atome, Ionen und Moleküle abgegebenen bzw. aufgenommenen Elektronen e~ werden über eine elektrische Leitung 16 entweder zu einem Verbraucher geführt oder von einer externen Stromquelle bereitgestellt. Diese Anordnung ist sowohl im Bereich der Abwasserreinigung als auch im Bereich der Methanerzeugung, beispielsweise in Biogasanlagen, verwendbar, wobei hier zum einen eine Abwasserklärung und zum anderen die Methanerzeugung erfolgt. Durch die Umwandlung der im Substrat vorhanden Teilchen wird beispielsweise die Reinigung von Abwasser in Kläranlagen bzw. die Erzeugung von Methan bei Biogasanlagen realisiert. Durch das Nutzen der Anordnung in Verbindung mit einer Anode 2 kann beispielsweise der Ertrag an Methan in einer Biogasanlage gesteigert werden. Die Anordnung ist in Biogasanlagen nachrüstbar. Auch bei der Abwasserklärung ist die Anlage nachrüstbar. Es besteht zudem die Möglichkeit die Elektrode drehbar in Form eines Rührers, insbesondere eines Anker-, eines Schrägblattrührers oder dgl. auszugestalten, was zu einer optimierten Substratvermischung führt. Eine zusätzliche Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in Fig. 3 dargestellt. Hier werden zwei beispielsweise unterschiedliche Substrate in zwei verschiedene Reaktoren 17 und 18 über Zuläufe 19 und 20 geführt. Über den Ablauf 21 wird das Substrat aus Reaktor 17 geführt. Reaktor 18 wird mittels Ablauf 22 entleert. Die in Reaktor 17 angeordnete Anode 2 ist über eine elektrische Leitung 23 mit der in Reaktor 18 angeordneten Kathode 3 verbunden, wodurch ein Elektronentransport von Reaktor 17 zu Reaktor 18 ermöglicht wird. Das Ausführungsbeispiel kann mit allen vorteiligen Anordnungen, wie beispielsweise drehbaren Elektroden zur optimalen Durchmischung der Reaktoren 17 und 18, ausgestaltet sein. Ein Protonentransport kann hier über eine Stoffleitung 24, insbesondere eine Salzbrücke, realisiert werden. FIG. 2 shows an additional arrangement of the device 1 according to the invention for the bioelectrochemical conversion of substrate. In a reactor 13 either an anode 2 and / or a cathode 3 is arranged. The reactor 13 is filled via the inlet 14 with substrate and emptied by means of the drain 15. The emitted by the substrate present in the atoms, ions and molecules or captured electrons e ~ be performed via an electrical line 16 to either a consumer or provided by an external power source. This arrangement is both in the field of wastewater treatment and in the field of methane production, for example in biogas plants, usable, here on the one hand a sewage treatment and on the other hand, the methane production takes place. By converting the particles present in the substrate, for example, the purification of wastewater in sewage treatment plants or the production of methane in biogas plants is realized. By using the arrangement in conjunction with an anode 2, for example, the yield of methane in a biogas plant can be increased. The arrangement can be retrofitted in biogas plants. The system can also be retrofitted for wastewater treatment. There is also the possibility of the electrode rotatable in the form of a stirrer, in particular an anchor, a Schrägblattrührers or the like to design, resulting in an optimized substrate mixing. An additional arrangement of the device according to the invention is shown in FIG. Here, for example, two different substrates are fed into two different reactors 17 and 18 via feeds 19 and 20. Via the outlet 21, the substrate is guided out of reactor 17. Reactor 18 is emptied by means of drain 22. The anode 2 arranged in the reactor 17 is connected via an electrical line 23 to the cathode 3 arranged in the reactor 18, whereby an electron transport from the reactor 17 to the reactor 18 is made possible. The embodiment can be configured with all advantageous arrangements, such as, for example, rotatable electrodes for optimal mixing of the reactors 17 and 18. A proton transport can be realized here via a material line 24, in particular a salt bridge.
Das Verfahren zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung funktioniert wie im Folgenden näher erläutert. In mindestens einem Reaktor 6, 8, 13, 17 oder 18 ist mindestens eine gleichpolige Elektrode, Anode 2 oder Kathode 3, angeordnet. Diese ist über eine elektrische Leitung 12, 16 oder 23 im Falle einer Anode 2 mit einem Verbraucher und im Falle einer Kathode 3 mit einer Stromquelle verbunden, welche die aus dem Substrat abgegebenen bzw. aufgenommenen Elektronen abtransportiert oder liefert. Das Substrat wird über wenigstens einen Zulauf 5, 14, 19 oder 20 dem mindestens einen Reaktor 6, 8, 13, 17 oder 18 zugeführt und über wenigstens einem am Reaktor 6, 8, 13, 17 oder 18 angeordneten Ablauf 9, 15, 21 oder 22 abgeführt. An der Elektrode laufen Redoxreaktionen ab, welche mittels Biomasse katalysiert werden, und die Stoffumwandlung bewirken. Bezugszahlenliste The method for bioelectrochemical conversion works as explained in more detail below. In at least one reactor 6, 8, 13, 17 or 18, at least one Gleichpolige electrode, anode 2 or cathode 3, arranged. This is connected via an electrical line 12, 16 or 23 in the case of an anode 2 to a consumer and in the case of a cathode 3 to a power source which removes or delivers the emitted or absorbed from the substrate electrons. The substrate is fed via at least one inlet 5, 14, 19 or 20 to the at least one reactor 6, 8, 13, 17 or 18 and via at least one at the reactor 6, 8, 13, 17 or 18 arranged outlet 9, 15, 21st or 22 discharged. Redox reactions, which are catalyzed by biomass, take place at the electrode and cause the conversion of the substance. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1. Vorrichtung1. Device
2. Anode 2. anode
3. Kathode  3rd cathode
4. Elektrodenflächen 4. Electrode surfaces
5. Zulauf 5. Feed
6. Reaktor  6th reactor
7. Stoffleitung  7. substance line
8. Reaktor  8. reactor
9. Ablauf  9. Procedure
10. Zellspannung 10. cell voltage
1 1. Zellstrom 1 1st cell current
12. elektrische Leitung 12th electrical line
13. Reaktor 13th reactor
14. Zulauf  14. Feed
15. Ablauf  15. Procedure
16. elektrische Leitung 16. electrical line
17. Reaktor 17th reactor
18. Reaktor  18th reactor
19. Zulauf  19. Feed
20. Zulauf  20. Feed
21. Ablauf  21. Process
22. Ablauf  22nd process
23. elektrische Leitung 23. electrical line
24. Stoffleitung 24. Material line

Claims

Vorrichtung und Verfahren zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung (Herbeiführen einer Reduktion / Oxidation / Redox-Reaktion) Patentansprüche Apparatus and method for bioelectrochemical conversion (inducing a reduction / oxidation / redox reaction). Claims
1. Vorrichtung (1) zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung von organischen und/ oder anorganischen Stoffen wässrigen und/ oder gasförmigen Zustande mit wenigstens einem Zulauf (5, 14, 19, 20) und wenigstens einem Ablauf (9, 15, 21, 22) 1. Device (1) for bioelectrochemical conversion of organic and / or inorganic substances aqueous and / or gaseous state with at least one inlet (5, 14, 19, 20) and at least one outlet (9, 15, 21, 22)
dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Reaktor (6, 8, 13, 17, 18) mindestens eine Anode (2) und/oder mindestens eine Kathode (3) angeordnet ist.  characterized in that in at least one reactor (6, 8, 13, 17, 18) at least one anode (2) and / or at least one cathode (3) is arranged.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , 2. Device (1) according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Biofilm auf die mindestens eine Anode (2) und/ oder mindestens eine Kathode (3) aufgebracht ist.  characterized in that a biofilm is applied to the at least one anode (2) and / or at least one cathode (3).
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, 3. Device (1) according to claim 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Biofilm auf der mindestens einen Anode (2) und/oder der mindestens einen Kathode (3) ein sessiler Biofilm ist.  characterized in that the biofilm on the at least one anode (2) and / or the at least one cathode (3) is a sessile biofilm.
4. Vorrichtung ( 1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der mindestens einen Anode (2) und/oder der mindestens einen Kathode (3) für einen Elektronentransport ein elektrischer Leiter (12, 16, 23) angeordnet ist. 4. Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at the at least one anode (2) and / or the at least one cathode (3) for electron transport, an electrical conductor (12, 16, 23) is arranged.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 5. Device (1) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der mindestens einen Anode (2) und der mindestens einen Kathode (3) für einen Elektronentransport ein elektrischer Leiter (12, 16, 23) angeordnet ist.  characterized in that between the at least one anode (2) and the at least one cathode (3) for electron transport, an electrical conductor (12, 16, 23) is arranged.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 6. Device (1) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Stoffleitung (7, 24) für den Protonentransport zwischen der mindestens einen Anode (2) und/oder der mindestens einen Kathode (3) aufweist.  characterized in that the device (1) has a substance line (7, 24) for the proton transport between the at least one anode (2) and / or the at least one cathode (3).
7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, 7. Device (1) according to claim 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffleitung (7, 24) für den Protonentransport eine Salzbrücke oder dgl. ist.  characterized in that the material line (7, 24) for the proton transport is a salt bridge or the like.
8. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 8. Device (1) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Reaktoren (6, 8, 13, 17, 18) vorhanden sind, die als Kaskade geschaltet sind.  characterized in that a plurality of reactors (6, 8, 13, 17, 18) are present, which are connected in cascade.
9. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 9. Device (1) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgleich des bioelektrochemischen Gleichgewichtes mittels externen Energieeingriffs erfolgt.  characterized in that a balance of the bioelectrochemical equilibrium takes place by means of external energy intervention.
10. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Anode (2) und /oder die mindestens eine Kathode (3) eine Durchmischung des mindestens einen Reaktors (6, 8, 13, 17, 18) bewirken. 10. Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one anode (2) and / or the at least one cathode (3) cause a mixing of the at least one reactor (6, 8, 13, 17, 18).
1 1. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 1 1. Device (1) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) durch eine Steuerung geregelt wird.  characterized in that the device (1) is controlled by a controller.
12. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 1, 12. Device (1) according to claim 1 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung mittels Online- bzw. Inline-Messtechnik erfolgt.  characterized in that the control is carried out by means of online or inline metrology.
13. Verfahren zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung von organischen und/oder anorganischen Stoffen wässrigen und/oder gasförmigen Zustands mit wenigstens einem Zulauf (5, 14, 19, 20) und wenigstens einem Ablauf (9, 15, 21, 22) 13. Method for the bioelectrochemical conversion of organic and / or inorganic substances aqueous and / or gaseous state with at least one inlet (5, 14, 19, 20) and at least one outlet (9, 15, 21, 22)
dadurch gekennzeichnet, dass mittels des wenigstens einen Zulaufs (5, 14, 19, 20) Edukte zum mindestens einem Reaktor (6, 8, 13, 17, 18) zugeführt werden und dort mittels mindestens einer Anode (2) und /oder mindestens einer Kathode (3) bioelektrochemisch umgewandelt werden.  characterized in that by means of the at least one inlet (5, 14, 19, 20) reactants are fed to at least one reactor (6, 8, 13, 17, 18) and there by means of at least one anode (2) and / or at least one Cathode (3) be converted bioelectrochemically.
14. Verfahren nach Anspruch 13, 14. The method according to claim 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Anode (2) und/oder die mindestens eine Kathode (3) einem wechselnden Milieu in einer Phase ausgesetzt sind.  characterized in that the at least one anode (2) and / or the at least one cathode (3) are exposed to a changing medium in one phase.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete Vorrichtung (1) zur bioelektrochemischen Stoffumwandlung eine Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 ist. 15. The method according to claim 13 or claim 14, characterized in that the bioelectromagnetic material conversion device (1) used is a device (1) according to any one of claims 1 to 12.
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