DE102007002009A1 - Verfahren zur biologischen Gewinnung von Methan - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur biologischen Gewinnung von Methan (CH<SUB>4</SUB>) angegeben, das einerseits umweltfreundlich und kostengünstig ist und andererseits auf die Nutzung fossiler Vorkommen verzichtet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Gewinnung von Methan.
  • Methan ist ein wichtiger Energieträger sowie ein bedeutender Ausgangsstoff für die chemische Industrie. Methan wird ganz überwiegend aus Erdgas gewonnen, dessen Hauptbestandteil es ist. Dazu werden fossile Vorkommen ausgebeutet, in denen zumeist Erdgas und Erdöl zusammen vorliegen. Solche Vorkommen finden sich bspw. in Russland oder auch unter dem Meeresboden, bspw. in der Nordsee.
  • Die Verfügbarkeit solcher fossiler Erdgasvorkommen ist jedoch begrenzt. Des Weiteren kann eine wirtschaftliche Abhängigkeit von Erdgaslieferländern eintreten. Zusätzlich liegt das Methan im Erdgas neben einer Vielzahl anderer Komponenten vor und muss durch aufwändige Verfahren von den Beikomponenten abgetrennt werden, um reines Methan zu erhalten.
  • Das Hauptproblem bei der Nutzung von Methan aus fossilen Vorkommen ist jedoch zum einen das starke Treibhauspotential, welches Methan aufweist. Bei der Förderung und dem Transport von fossil vorkommendem Methan tritt unweigerlich ein erheblicher Verlust des abgebauten Gases ein, dieser Anteil gelangt als Treibhausgas in die Atmosphäre.
  • Zum anderen verstärkt die Nutzung (d. h. die Verbrennung) fossilen Methans den Treibhauseffekt dadurch, dass weiteres Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangt und entsprechend als Treibhausgas wirken kann.
  • Es ist des Weiteren bekannt, methanhaltige Gase aus Biomasse zu gewinnen (sog. Biogas-Verfahren). So ist aus der DE 10 2004 035 997 A1 eine Biogasanlage zur Bereitstellung von methanhaltigen Gasen bekannt. Die Biogaserzeugung hat jedoch den Nachteil, dass nur sehr unreines Methan gewonnen wird, das durch Kohlendioxid, Wasserdampf, Ammoniak, Schwefelwasserstoff und andere Bestandteile verunreinigt ist. Des Weiteren ist nicht genügend Biomasse verfügbar, um letztlich die fossilen Vorkommen ersetzen zu können.
  • Schließlich ist bekannt, dass sich auf den Meeresböden der Erde mehrere Billionen Tonnen Methan in Form von Methanhydrat befinden. Die Förderung dieser Vor kommen ist bis jetzt jedoch noch nicht kommerziell möglich und scheint nur mit erheblichen Kosten realisierbar zu sein.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein umweltfreundliches und kostengünstiges Verfahren zur Gewinnung von Methan anzugeben, das auf die Nutzung fossiler Vorkommen verzichtet.
  • Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach weist das erfindungsgemäße Verfahren zur biologischen Gewinnung von Methan die folgenden Schritte auf:
    • – Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Kohlendioxid und Wasser durch Algen unter Lichteinwirkung,
    • – Abtrennung des erzeugten Sauerstoffs,
    • – Erzeugung von Methan aus Wasserstoff und Kohlendioxid durch Methanogenese-Bakterien,
    • – Abtrennung und ggf. Verflüssigung des erzeugten Methans.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den nachgeordneten Patentansprüchen entnehmbar.
  • Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die Darstellung von Methan in zwei Schritte aufteilbar ist, wobei in beiden Schritten jeweils eine umweltneutrale Bioreaktion stattfinden kann.
  • So wird zunächst durch den Einsatz geeigneter Algen aus Kohlendioxid und Wasser Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen.
  • Das eingesetzte Kohlendioxid kann aus der Umgebungsatmosphäre, bspw. durch ein Luftverflüssigungsverfahren mit anschließender Trockeneisbildung, gewonnen werden. Dadurch verringert sich der Anteil des treibhausaktiven Kohlendioxids in der Atmosphäre. Des Weiteren kann Kohlendioxid aus Industrie- oder Verbren nungsprozessen genutzt werden, wodurch die Kohlendioxidbelastung der Atmosphäre direkt verringert wird. Der im ersten Schritt erzeugte Sauerstoff wird abgetrennt und kann anderen Verwendungen zugeführt werden. Es verbleibt der im ersten Schritt erzeugte Wasserstoff.
  • In erfindungsgemäßer Weise wird nun in einem zweiten Schritt aus dem erzeugten Wasserstoff und weiterem Kohlendioxid durch den Einsatz geeigneter Methanogenese-Bakterien Methan erzeugt. Dabei wird weiteres Kohlendioxid verbraucht. Schließlich kann das erzeugte Methan von den verbliebenen Edukten Wasserstoff und Kohlendioxid abgetrennt und ggf. verflüssigt werden.
  • Durch den Verbrauch von Kohlendioxid während der erfindungsgemäßen Methangewinnung ist insgesamt ein kohlendioxidneutrales Verfahren angegeben. Dies bedeutet, dass das erzeugte Methan bei einer thermischen Umsetzung kein zusätzliches treibhausschädigendes Kohlendioxid produziert, da die entsprechende Kohlendioxidmenge bereits bei der Herstellung aus der Atmosphäre entnommen worden ist. Als Energieträger kann dabei Sonnenlicht verwendet werden, was die Energiebilanz des Verfahrens weiter verbessert. Das vorgeschlagene Verfahren kann daher eine Alternative zu den umweltfreundlichen Energiequellen Windenergie und Solarenergie werden.
  • Folglich ist ein umweltfreundliches und kostengünstiges Verfahren zur Gewinnung von Methan angegeben, das auf die Nutzung fossiler Vorkommen verzichtet.
  • In einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden die zur Erzeugung von Wasserstoff verwendeten Algen in einer wässrigen Lösung bereitgestellt. Dieser Lösung werden ggf. periodisch oder fortlaufend geeignete Nährstoffe zugeführt. Dadurch wird den verwendeten Algen eine optimale Umgebung bereitgestellt und es ist ermöglicht, das erfindungsgemäße Verfahren ohne unerwünschte Unterbrechungen zu betreiben.
  • Die zur Erzeugung von Wasserstoff verwendeten Algen können Grünalgen, insbesondere Chlamydomonas reinhardtii, aufweisen. Diese Algen eignen sich besonders zur Wasserstoffherstellung und harmonieren optimal mit den anderen Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In einer Weiterbildung des Verfahrens werden die zur Erzeugung von Wasserstoff verwendeten Algen von der Lichtquelle, insbesondere dem Sonnenlicht, durch eine im Wesentlichen transparente Scheibe getrennt. Dadurch können die verwendeten Algen Sonnenlicht als Energieträger verwerten, ohne der Umgebung direkt ausgesetzt zu werden.
  • In bevorzugter Weise wird dabei eine Scheibe verwendet, die auf der lichtabgewandten Seite einen Selbstreinigungseffekt (Lotuseffekt) aufweist. Dieser Effekt kann bspw. durch eine Silanbeschichtung bereitgestellt werden. Die Verwendung einer solchen Scheibe stellt sicher, dass auf der Innenseite der Scheibe keine Algen aufwachsen oder sich Verschmutzungen festsetzen, welche ein Eindringen des Lichts auf die Innenseite der Scheibe verhindern könnten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform werden die gasförmigen Zwischenprodukte Wasserstoff und Sauerstoff des ersten Schritts von dem Algenmedium durch eine Membran, insbesondere eine poröse Membran aus CLPE (cross-linked polyethylene) abgetrennt. Dabei können die gasförmigen Zwischenprodukte durch die Membran diffundieren, während das in der Regel wässrige Algenmedium durch die Membran am Durchtritt gehindert wird. Dabei ist festgestellt worden, dass sich die genannte Membran aus CLPE besonders zur Abtrennung der vorliegenden Mischungspartner eignet.
  • In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform wird die Membran beidseitig in eine hexagonal dichteste Kugelpackung festgelegt. Dadurch wird eine besonders sichere Fixierung der Membran erreicht.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird eine CLPE-Membran mit einer inneren Schicht aus PATBS (Poly(acrylamid-tert-butyl-sulfonsäure)) verwendet. Die innere Schicht aus PATBS erhöht in weiter vorteilhafter Weise die Leistungsfähigkeit der vorgeschlagenen CLPE-Membran für die Abtrennung der vorliegenden Mischungspartner.
  • Da das Kohlendioxid von den verwendeten Algen umgesetzt wird, ist ein Durchtritt des Kohlendioxids auf die Gasseite der Membran (d. h. in Richtung der gasförmig vorliegenden Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff) unerwünscht. Daher kann der osmotische Druck von Kohlendioxid auf der Gasseite der Membran erhöht werden, damit im Algenmedium eine erwünschte Mindestkonzentration von Kohlendioxid aufrechterhalten wird.
  • Die im ersten Schritt gewonnenen gasförmigen Mischungspartner Sauerstoff und Wasserstoff werden in bevorzugter Weise durch eine Gasverflüssigung, insbesondere nach dem Linde-Verfahren, voneinander getrennt. Das Linde-Verfahren ist für sich gesehen bekannt. Dabei wird ein Gas bzw. eine Gasmischung so lange abgekühlt, bis die einzelnen Mischungspartner ihren Siedepunkt erreichen und als Flüssigkeit anfallen. In diesem Fall liegt der Siedepunkt von Sauerstoff ca. 70 Kelvin oberhalb des Siedepunkts von Wasserstoff, so dass der Sauerstoff zuerst flüssig wird. Die Verwendung eines Gasverflüssigungsverfahrens ist besonders vorteilhaft, wenn sehr reine Komponenten gewonnen werden sollen.
  • Es wird insgesamt eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei der auch die zur Erzeugung von Methan verwendeten Methanogenese-Bakterien in einer wässrigen Lösung bereitgestellt werden. Dieser Lösung können des Weiteren periodisch oder fortlaufend geeignete Nährstoffe zugeführt werden. Damit wird für die verwendeten Methanogenese-Bakterien eine optimale Umgebung bereitgestellt. Des Weiteren ist eine ununterbrochene Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht.
  • In einer weiteren Ausführungsform weisen die zur Erzeugung von Methan verwendeten Methanogenese-Bakterien eine oder eine Mischung der Arten Methanobacterium thermoautotropicum, Methanobacillus, Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina und Methanothrix auf. Es ist festgestellt worden, dass die genannten Bakterienarten besonders gut mit den anderen Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens harmonieren.
  • Im zweiten Schritt des Verfahrens kann der Wasserstoff und das Kohlendioxid den Methanogenese-Bakterien unter anaeroben Bedingungen und/oder bei einer Temperatur von ungefähr 60°C zugeführt werden. Die genannten Bedingungen haben sich als optimal erwiesen, um eine möglichst hohe Methanausbeute in Verbindung mit einer langen Lebensdauer und einer besonders gleichmäßigen Aktivität der verwendeten Bakterien bereitzustellen.
  • Es wird eine Ausführungsform bevorzugt, bei der die Abtrennung des Methans von dem Bakterienmedium über eine Membran, insbesondere über eine poröse Membran aus CLPE (cross-linked polyethylene), erfolgt.
  • Auch die Membran des zweiten Schrittes kann in eine hexagonal dichteste Kugelpackung festgelegt werden.
  • Dabei wird die Verwendung einer Membran bevorzugt, die eine innere Schicht aus PATBS aufweist.
  • Bezüglich der letztgenannten Ausführungsformen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen in Bezug auf vorteilhafte Merkmale der im ersten Schritt verwendeten Membran verwiesen.
  • Auch in Bezug auf den zweiten Reaktionsschritt wird eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, bei der der osmotische Druck des Kohlendioxids auf der Gasseite der Membran erhöht wird. Dadurch lässt sich eine gleichbleibend hohe Konzentration von Kohlendioxid im Bakterienmedium sicherstellen. Dies ist vorteilhaft, da das Kohlendioxid von den Bakterien letztlich zu Methan umgesetzt wird.
  • Es wird weiterhin eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, bei der die Abtrennung des im zweiten Schritt erzeugten Methans von dem Wasserstoff durch eine Gasverflüssigung, insbesondere nach dem Linde-Verfahren, erfolgt. In Bezug auf die Vorteile dieser Ausführungsform kann auf die Erläuterungen bezüglich der Auftrennung von Sauerstoff und Wasserstoff verwiesen werden.
  • In Bezug auf beide Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei denen jeweils Kohlendioxid verbraucht wird, wird vorgeschlagen, dass das den Algen und/oder den Methanogenese-Bakterien zugeführte Kohlendioxid aus Trockeneis gewonnen wird, wobei das Trockeneis ggf. aus einer Luftverflüssigung, insbesondere nach dem Linde-Verfahren, gewonnen wird. So lässt sich Kohlendioxid bzw. Trockeneis bereitstellen, das praktisch keine Verunreinigungen beinhaltet. Des Weiteren wird der Umgebungsluft Kohlendioxid entnommen, was eine vorteilhafte Auswirkung auf den Treibhauseffekt hat.
  • Alternativ oder zusätzlich kann das den Algen und/oder den Methanogenese-Bakterien zugeführte Kohlendioxid aus kohlendioxidreichen Gasströmen, insbesondere aus Industrie- und Verbrennungsprozessen, bereitgestellt werden. Diese Weiterbildung des Verfahrens ist insbesondere im Hinblick auf die Verbesserung der Kohlendioxidbilanz von Müllverbrennungs- und Kraftwerksanlagen vorteilhaft. So kann aus eigentlich umweltschädlichen Abgasströmen mit Hilfe des vorliegenden Verfahrens Methan bereitgestellt werden, das als Ausgangsstoff für die chemische Industrie oder zur kohlendioxidneutralen Verbrennung genutzt werden kann.
  • Im Hinblick auf eine Verbesserung der Energiebilanz und eine Verminderung des Ausstoßes von treibhausaktivem Kohlendioxid wird eine Weiterbildung des Verfahrens vorgeschlagen, bei dem nicht verbrauchtes bzw. nicht umgesetztes Kohlendioxid – insbesondere mittels einer Kühlfalle – zurückgewonnen und in den Prozess rückgeführt wird.
  • Schließlich ist im Hinblick auf eine zusätzlich verbesserte Methanausbeute des Verfahrens eine Ausgestaltung bevorzugt, bei der entstehendes überschüssiges Algen- und/oder Bakterienmaterial periodisch oder fortlaufend dem Prozess entnommen und einem Biogasprozess zur zusätzlichen Methangewinnung zugeführt wird. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entsteht fortlaufend Biomasse, die aufgrund der festgelegten Anlagengröße von Zeit zu Zeit oder fortlaufend entfernt werden muss. Bei dieser Weiterbildung des Verfahrens kann diese Biomasse, die ansonsten – ggf. mit weiteren Folgekosten – entsorgt werden müsste, einer weiteren sinnvollen Verwendung zugeführt werden.
  • Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Aus führungsbeispiels anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
  • 1 eine schematische Darstellung des Teilschrittes der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt wird,
  • 2 eine schematische Darstellung des Teilschrittes der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Methan gewonnen wird,
  • 3 eine schematische Darstellung des gesamten Verfahrens gemäß gezeigter Ausführungsform und
  • 4 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Membrananordnung zur Abtrennung gasförmiger (Zwischen-)Produkte von dem Algen- bzw. Bakterienmedium.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils der vorgeschlagenen Ausführungsform des Gesamtverfahrens. Dieser erste Teil bezieht sich auf die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Algen und die Abtrennung des erzeugten Sauerstoffs vom Wasserstoff.
  • Am Anfang des Verfahrens wird Kohlendioxid (CO2) bereitgestellt. Dieses Kohlendioxid kann bspw. aus einer Gasverflüssigung nach dem Linde-Verfahren bereitgestellt werden. Das Kohlendioxid kann aus der Gasverflüssigung direkt als Trockeneis entnommen werden. Alternativ wird gasförmiges Kohlendioxid (CO2) in einer Trockeneiserzeugung 1 zu Trockeneis umgewandelt.
  • Das Kohlendioxid (CO2) wird in einen Bioreaktor 2 eingeleitet. In diesem Bioreaktor liegt eine wässrige Lösung aus Grünalgen (Chlamydomonas reinhardtii) vor. Die wässrige Grünalgenlösung ist vom Gasraum des Bioreaktors 2 durch eine Membran 3 aus CLPE getrennt. Das bereitgestellte Kohlendioxid wird in die wässrige Algenlösung eingeleitet und stets mit einer Pumpe 4 umgepumpt, also im Kreislauf ge führt. Des Weiteren werden der wässrigen Lösung aus Grünalgen fortlaufend Nährstoffe 5 sowie Wasser (H2O) zugeführt.
  • Die Algen werden von der Umgebung durch eine im Wesentlichen transparente Scheibe 6 getrennt. Aufgrund der Einstrahlung von Licht (hυ), insbesondere dem Sonnenlicht, und durch die Versorgung der Algen mit Nährstoffen, Wasser und Kohlendioxid produzieren die verwendeten Grünlagen Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2). Diese Zwischenprodukte können durch die Membran 3 in den Gasraum des Bioreaktors 2 übertreten und abgezogen werden.
  • Zur Erhöhung des osmotischen Drucks von Kohlendioxid (CO2) auf der Gasseite der Membran 3 wird dem Gasraum des Bioreaktors 2 ebenfalls Kohlendioxid (CO2) zugeführt.
  • Mit den Zwischenprodukten Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aus dem Bioreaktor 2 austretendes Kohlendioxid (CO2) wird in einer Kühlfalle 7 abgetrennt und in den Kreislauf rückgeführt.
  • Die Auftrennung der Zwischenprodukte Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) erfolgt über eine Gasverflüssigung 8 und über eine Fraktionierung 9.
  • Aufgrund des stetigen Wachstums der Algen im Bioreaktor 2 kann diesem fortlaufend oder periodisch überschüssiges Biomaterial entnommen werden. Dieses Biomaterial wird in einem Biogasverfahren zur weiteren Methangewinnung verwendet.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung des zweiten Schrittes der gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, der sich auf die Erzeugung von Methan aus dem im ersten Schritt erzeugten Wasserstoff und die Abtrennung des gewonnenen Methans bezieht.
  • Der im ersten Schritt gewonnene Wasserstoff (H2) wird einem weiteren Bioreaktor 2' zugeführt. In diesem Bioreaktor 2' liegt eine wässrige Lösung von Methanogenese-Bakterien vor, die von dem Gasraum des Bioreaktors 2' durch eine Membran 3' abgetrennt ist. Die Membran 3' besteht wie für den ersten Schritt gemäß 1 aus CLPE. Den in wässriger Lösung vorliegenden Methanogenese-Bakterien wird so wohl Wasserstoff (H2) als auch Kohlendioxid (CO2) zugeführt. Dazu wird – bspw. aus einem Gasverflüssigungsverfahren stammendes – Kohlendioxid in der Trockeneiserzeugung 1' in Trockeneis umgewandelt.
  • Die Edukte Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) werden der Bakterienlösung unter anaeroben Bedingungen bei einer Temperatur von ungefähr 60°C zugeführt. Des Weiteren werden der Bakterienlösung fortlaufend geeignete Nährstoffe 5' zugegeben. Sowohl die Bakterienlösung als auch die Gase im Gasraum des Bioreaktors 2' werden fortlaufend durch Pumpen 4' umgewälzt.
  • In erfindungsgemäßer Weise produzieren die Methanogenese-Bakterien aus dem zugeführten Wasserstoff (H2) und Kohlendioxid (CO2) durch die Einstellung geeigneter Umgebungsbedingungen und durch die Zuführung von Nährstoffen 5' Methan (CH4). Das entstandene Methan kann durch die Membran 3' aus CLPE in den Gasraum des Bioreaktors 2' diffundieren. Zur Verhinderung einer übermäßigen Diffusion von Wasserstoff (H2) und Kohlendioxid (CO2) in den Gasraum wird der osmotische Druck der beiden Edukte auf der Gasseite der Membran 3' erhöht.
  • Das Gasgemisch aus Kohlendioxid (CO2), Wasserstoff (H2) und Methan (CH4) kann aus dem Gasraum des Bioreaktors 2' entnommen werden. Danach wird zunächst in einer Kühlfalle 7' das Kohlendioxid (CO2) abgetrennt und in den Kreislauf rückgeführt. Die Auftrennung der verbleibenden Komponenten Wasserstoff (H2) und Methan (CH4) erfolgt über eine Gasverflüssigung 8' und eine nachgeschaltete Fraktionierung 9'. Der abgetrennte Wasserstoff (H2) wird ebenfalls in den Prozess rückgeführt.
  • Übrig bleibt das Produkt Methan (CH4) in hoher Reinheit.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung des gesamten Verfahrens. Dabei wird deutlich, wie der im ersten Schritt gewonnene Wasserstoff (H2) als Edukt für den zweiten Schritt übergeleitet und verwendet wird. Des Weiteren wird im zweiten Schritt zurückgewonnenes Kohlendioxid (CO2) auch in den ersten Schritt rückgeführt.
  • Auch im zweiten Schritt entsteht durch das stetige Wachstum der verwendeten Methanogenese-Bakterien andauernd überschüssiges Biomaterial, welches zur weiteren Methangewinnung im Biogas-Verfahren ausgeschleust wird.
  • Zu den weiteren einzelnen Verfahrensschritten wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen zu 1 und 2 verwiesen.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren laufen folgende Brutto-Reaktionen ab:
    • 1. Schritt (1): 2 H2O → 2 H2 + O2
    • 2. Schritt (2): CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O gesamt (3): CO2 + 2 H2O – 2 O2 + CH4
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Festlegung der erfindungsgemäß verwendeten Membrane 3, 3'. Dabei wird in dem Verfahren sowohl bei der Wasserstoffgewinnung durch Algen als auch bei der Methangewinnung durch Methanogenese-Bakterien vorzugsweise eine Membran 3, 3' aus CLPE verwendet, um den Übertritt von gasförmigen Produkten aus einem wässrigen Medium zu ermöglichen.
  • Diese Fig. zeigt in einer Seitenansicht und in einer Draufsicht, wie die Membran 3, 3' aus CLPE in einer hexagonal dichtesten Kugelpackung verankert wird, um eine möglichst sichere Festlegung der Membran 3, 3' zu erreichen.
  • Diese Art der Festlegung der Membran ist dabei im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, zur Ausführung des Verfahrens jedoch nicht zwingend notwendig.
  • Abschließend sei hervorgehoben, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens die beanspruchte Lehre erörtert, dieses jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

Claims (22)

  1. Verfahren zur biologischen Gewinnung von Methan (CH4), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Erzeugung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aus Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) durch Algen unter Lichteinwirkung, – Abtrennung des erzeugten Sauerstoffs (O2), – Erzeugung von Methan (CH4) aus Wasserstoff (H2) und Kohlendioxid (CO2) durch Methanogenese-Bakterien, – Abtrennung und ggf. Verflüssigung des erzeugten Methans (CH4).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) verwendeten Algen in einer wässrigen Lösung bereitgestellt werden, welcher ggf. periodisch oder fortlaufend geeignete Nährstoffe (5) zugeführt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) verwendeten Algen Grünalgen, insbesondere Chlamydomonas reinhardtii, aufweisen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) verwendeten Algen von der Lichtquelle, insbesondere dem Sonnenlicht, durch eine im Wesentlichen transparente Scheibe (6) getrennt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Scheibe (6) verwendet wird, die auf der lichtabgewandten Seite einen Selbstreinigungseffekt (Lotuseffekt) aufweist, der ggf. durch eine Silanbeschichtung bereitgestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung der gasförmigen Zwischenprodukte Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) von dem Algenmedium über eine Membran (3), insbesondere eine poröse Membran (3) aus CLPE (cross-linked polyethylene) erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) beidseitig in eine hexagonal dichteste Kugelpackung festgelegt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine CLPE-Membran (3) mit einer inneren Schicht aus PATBS (Poly(acrylamid-tert-butylsulfonsäure)) verwendet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der osmotische Druck von Kohlendioxid (CO2) auf der Gasseite der Membran (3) erhöht wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung des erzeugten Sauerstoffs (O2) von dem Wasserstoff (H2) durch eine Gasverflüssigung (8), insbesondere nach dem Linde-Verfahren, erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Erzeugung von Methan (CH4) verwendeten Methanogenese-Bakterien in einer wässrigen Lösung bereitgestellt werden, welcher ggf. periodisch oder fortlaufend geeignete Nährstoffe (5') zugeführt werden.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Erzeugung von Methan (CH4) verwendeten Methanogenese-Bakterien eine oder eine Mischung der Arten Methanobacterium thermoautotropicum, Methanobacillus, Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina und Methanothrix aufweisen.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoff (H2) und Kohlendioxid (CO2) den Methanogenese-Bakterien unter anaeroben Bedingungen und/oder bei einer Temperatur von ungefähr 60 Grad Celsius zugeführt werden.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung des Methans (CH4) von dem Bakterienmedium über eine Membran (3'), insbesondere eine poröse Membran (3') aus CLPE (cross-linked polyethylene) erfolgt.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3') beidseitig in eine hexagonal dichteste Kugelpackung festgelegt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine CLPE-Membran (3') mit einer inneren Schicht aus PATBS (Poly(acrylamid-tert-butyl-sulfonsäure)) verwendet wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der osmotische Druck von Kohlendioxid (CO2) auf der Gasseite der Membran (3') erhöht wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung des erzeugten Methans (CH4) von dem Wasserstoff (H2) durch eine Gasverflüssigung (8'), insbesondere nach dem Linde-Verfahren, erfolgt.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass den Algen und/oder den Methanogenese-Bakterien zugeführtes Kohlendioxid (CO2) aus Trockeneis gewonnen wird, wobei das Trockeneis ggf. aus einer Luftverflüssigung (8, 8'), insbesondere nach dem Linde-Verfahren, gewonnen wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass den Algen und/oder den Methanogenese-Bakterien zugeführtes Kohlendioxid (CO2) aus kohlendioxidreichen Gasströmen, insbesondere aus Industrie- und Verbrennungsprozessen, bereitgestellt wird.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass nicht verbrauchtes bzw. nicht umgesetztes Kohlendioxid (CO2) – insbesondere mittels einer Kühlfalle (7, 7') – zurückgewonnen und in den Prozess rückgeführt wird.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass entstehendes überschüssiges Algen- und/oder Bakterienmaterial periodisch oder fortlaufend entnommen wird und einem Biogasprozess zur zusätzlichen Methangewinnung zugeführt wird.
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