DE19912952A1 - Photosynthetic conversion of carbon dioxide into biomass and oxygen comprises using algal suspensions in stirred bioreactors illuminated with sunlight and artificial light - Google Patents

Photosynthetic conversion of carbon dioxide into biomass and oxygen comprises using algal suspensions in stirred bioreactors illuminated with sunlight and artificial light

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Abstract

Photosynthetic conversion of CO2 into biomass and oxygen comprising culturing algae suspensions in ultraviolet-transparent stirred bioreactors illuminated with sunlight and artificial light, introducing CO2 or a CO2-enriched gas into the suspension, passing the suspension over the vessel wall and artificial light sources, and transferring the CO2-depleted gas to the next bioreactor, is new. An Independent claim is also included for a bioreactor for culturing algae, comprising an ultraviolet-transparent housing containing internal ultraviolet light sources, a stirrer, a CO2 inlet, a CO2-depleted gas outlet, a nutrient solution inlet, an algal suspension discharge outlet and devices for controlling the other devices.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Verwertung von Koh­ lendioxid aus chemischen Prozessen durch Assimilation mit Hilfe der Photosynthese zu Biomasse und Sauerstoff.The present invention relates to a process for the utilization of Koh Oil dioxide from chemical processes by assimilation with the help of photosynthesis to biomass and oxygen.

Chemische Prozesse wie das Kalkbrennen liefern bekanntlich neben Calciumoxid auch in erheblichen Mengen Kohlendioxid. Dieses Kohlendioxid wird bisher unbe­ nutzt in die Atmosphäre geleitet und trägt somit zu dem sogenannten Treibhauseffekt bei. Weitere Menge an Kohlendioxid bilden sich beispielsweise bei er chemischen Umsetzung von Kohlenstoffe, Kohlenwasserstoffen und Kohlenhydraten durch Oxi­ dation. Sofern dieses Kohlendioxid in Form von Metallcarbonaten aufgefangen wird, läßt sich durch Erhitzung der Metallcarbonate relativ reines und konzentriertes Koh­ lendioxid gewinnen.As is well known, chemical processes such as lime burning deliver alongside calcium oxide also in considerable amounts of carbon dioxide. This carbon dioxide has so far not been used uses directed into the atmosphere and thus contributes to the so-called greenhouse effect at. A further amount of carbon dioxide is formed, for example, when chemical Conversion of carbons, hydrocarbons and carbohydrates by Oxi dation. If this carbon dioxide is collected in the form of metal carbonates, can be heated by heating the metal carbonates relatively pure and concentrated Koh Gain Lioxide.

Während das Kalkbrennen bei Temperaturen von ca. 900°C stattfindet und somit relativ energieintensiv ist, gibt es eine Reihe von andere Metallcarbonaten, die sich auch schon bei deutlich niedrigeren Temperaturen zersetzen und Kohlendioxid ab­ spalten. Zum Auffangen und Binden von Kohlendioxid kommen somit prinzipiell in Frage auch Lithiumhydroxid, Magnesiumoxid, Zinkoxid, Bleioxid und Cadmiumoxid. Besonders geeignet erscheint Zinkoxid, da sich das Zinkcarbonat bereits bei Tempe­ raturen von 300°C wieder zersetzt und mehr oder weniger reines CO2 liefert.While lime burning takes place at temperatures of around 900 ° C and is therefore relatively energy-intensive, there are a number of other metal carbonates that decompose even at significantly lower temperatures and split off carbon dioxide. In principle, lithium hydroxide, magnesium oxide, zinc oxide, lead oxide and cadmium oxide are also suitable for collecting and binding carbon dioxide. Zinc oxide appears to be particularly suitable, since the zinc carbonate decomposes again at temperatures of 300 ° C and delivers more or less pure CO 2 .

Außer der weitverbreiteten Oxidation von Kohlenstoff, Kohlenwasserstoffen, Koh­ lenhydraten, nämlich der üblichen Verbrennung, bildet sich CO2 auch in Alka­ lihydroxidschmelzen unter Bildung von Alkalicarbonat, Alkalihydriden und Wasser­ stoff. So finden unter diesen Bedingungen beispielsweise folgende Reaktionen statt:
In addition to the widespread oxidation of carbon, hydrocarbons, carbohydrates, namely conventional combustion, CO 2 also forms in alkali hydroxide melts with the formation of alkali carbonate, alkali hydrides and hydrogen. For example, the following reactions take place under these conditions:

3 NaOH + C → Na2CO3 + NaH + H2 (1) oder
3 NaOH + C → Na 2 CO 3 + NaH + H 2 (1) or

9 NaOH + C3H8 → 3 Na2CO3 + 3 NaH + 7 H2 (2)
9 NaOH + C 3 H 8 → 3 Na 2 CO 3 + 3 NaH + 7 H 2 (2)

9 LiOH + C3H8 → 3 Li2CO3 + 3 LiH + 7 H2 (5)9 LiOH + C 3 H 8 → 3 Li 2 CO 3 + 3 LiH + 7 H 2 (5)

Gewünschtenfalls können diese Carbonate auch mit anderen Metalloxiden oder -hy­ droxiden umgesetzt werden, wobei die Trennung von Wasserstoff und Kohlendioxid besonders einfach mit Hilfe von Zinkoxid oder anderen Zinksalzen erfolgen kann.If desired, these carbonates can also be combined with other metal oxides or hy droxides are implemented, the separation of hydrogen and carbon dioxide can be done particularly easily with the help of zinc oxide or other zinc salts.

Da diese Reaktionen reversibel sind, kann beispielsweise die Bildung von Zinkcarbo­ nat bei Raumtemperatur erfolgen und bei Temperaturen von ca. 300°C das gebildete Zinkcarbonat wieder in Zinkoxid und Kohlendioxid aufgespalten werden.Since these reactions are reversible, the formation of zinc carbo, for example nat at room temperature and the formed at temperatures of about 300 ° C. Zinc carbonate can be broken down again into zinc oxide and carbon dioxide.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, dieses aus chemischen Prozessen stam­ mende Kohlendioxid zu verwerten durch Assimilation mit Hilfe der Photosynthese, wobei Biomasse und Sauerstoff entstehen.The object of the invention is to derive this from chemical processes utilizing carbon dioxide by assimilation with the help of photosynthesis, producing biomass and oxygen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Suspensionen von Algen in gerührten Biore­ aktoren aus einem für UV-Licht durchlässigen Material unter gleichzeitigem Einsatz von Sonnenlicht- und Kunstlichtquellen gezüchtet werden und wobei das Kohlendi­ oxid oder mit Kohlendioxid angereicherte Gasgemisch in die Suspension eingerührt wird, die mit Kohlendioxid angereicherte Suspension an der Gefäßwand und den Kunstlichtquellen vorbeigeführt wird und das bezüglich Kohlendioxid abgereicherte Gasgemisch gegebenenfalls unter Beimischung von weiterem Kohlendioxid in den jeweils nächsten Bioreaktor geleitet wird. This object is achieved in that suspensions of algae in stirred biore Actuators made of a material that is permeable to UV light with simultaneous use are grown by sources of sunlight and artificial light and the Kohlendi oxide or gas mixture enriched with carbon dioxide stirred into the suspension is, the suspension enriched with carbon dioxide on the vessel wall and the Artificial light sources and the depleted in terms of carbon dioxide Gas mixture optionally with the addition of further carbon dioxide in the next bioreactor is directed.  

Das für die Photosynthese notwendige Licht wird teilweise durch Sonnenlicht und teilweise durch Kunstlichtquellen geliefert. Das Sonnenlicht kann vor allem durch das UV-Licht durchlässige Material des Mantels des Reaktors eindringen. Geeignet ist beispielsweise das für UV-Licht durchlässige Polyacrylatglas (Plexiglas®).The light necessary for photosynthesis is partly from sunlight and partially supplied by artificial light sources. The sunlight can mainly through the UV light permeable material penetrate the jacket of the reactor. Suitable is for example, the polyacrylate glass (Plexiglas®), which is transparent to UV light.

Die Energie für die Kunstlichtquellen im Inneren der Bioreaktoren wird vorzugsweise durch Photovoltaik geliefert. Darüber hinaus kann weitere Energie zur Stromerzeu­ gung gewonnen werden durch Verbrennung des in einigen der oben genannten Reak­ tionen anfallenden Wasserstoffs bzw. der Metallhydride.The energy for the artificial light sources inside the bioreactors is preferred delivered by photovoltaic. In addition, additional energy can be used to generate electricity be obtained by burning the reac in some of the above tion of hydrogen or metal hydrides.

Das für die Photosynthese notwendige Kohlendioxid wird vorzugsweise gewonnen aus dem Brennen von Kalk oder der thermischen Zersetzung von Metallcarbonaten. Diese Metallcarbonate können beispielsweise gewonnen werden aus der thermischen Umsetzung von kohlenstoffhaltigen organischen Substanzen oder Reststoffen unter Luftausschluß in Alkalihydroxidschmelzen unter gleichzeitiger Bildung von Metall­ hydriden und Wasserstoff. Diese Metallhydride und dieser Wasserstoff können dann entweder zur Stromerzeugung für die inneren Kunstlichtquellen der Bioreaktoren verwendet werden oder aber auch in sonstiger Weise verwertet werden, da sowohl Wasserstoff als auch Metallhydride wirtschaftlich wertvolle Materialien sind.The carbon dioxide necessary for photosynthesis is preferably obtained from the burning of lime or the thermal decomposition of metal carbonates. These metal carbonates can be obtained, for example, from the thermal Implementation of carbon-containing organic substances or residues under Exclusion of air in alkali hydroxide melts with simultaneous formation of metal hydrides and hydrogen. These metal hydrides and this hydrogen can then either to generate electricity for the internal artificial light sources of the bioreactors be used or used in some other way, because both Hydrogen and metal hydrides are economically valuable materials.

Die Bioreaktoren zur Züchtung von Algen gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen vor allem aus einem UV-Licht durchlässigen Mantel, im Inneren befindli­ chen UV-Lichtquellen, Einrichtungen zum. Rühren der Algensuspensionen, Einrich­ tungen zum Einleiten von Kohlendioxid und/oder mit Kohlendioxid angereicherten. Gas, Einrichtungen zur Ableitung von bezüglich Kohlendioxid abgereichertem Gas, Einrichtungen zum Einleitung von Nährlösung, Einrichtungen zur Ableitung der Algensuspension sowie gegebenenfalls Einrichtungen zur Steuerung der übrigen Einrichtungen des Bioreaktors. The bioreactors for growing algae according to the method according to the invention consist mainly of a UV-permeable jacket, located on the inside Chen UV light sources, facilities for. Stirring the algae suspensions, Einrich tion for introducing carbon dioxide and / or enriched with carbon dioxide. Gas, facilities for discharging gas depleted of carbon dioxide, Facilities for the introduction of nutrient solution, facilities for the derivation of the Algae suspension and, if necessary, facilities for controlling the rest Bioreactor facilities.  

Vorzugsweise weist der Bioreaktor einen konischen Boden auf mit einer Einrichtung zur Einleitung von Kohlendioxid und/oder mit Kohlendioxid angereichertem Gas. Diese Ausgestaltung verhindert ein unerwünschtes Absetzen der Algensuspension in dem unteren Trichter und führt gleichzeitig zu einer Aufwirbelung und Rühren der Suspension.The bioreactor preferably has a conical bottom with a device for the introduction of carbon dioxide and / or gas enriched with carbon dioxide. This configuration prevents unwanted settling of the algae suspension in the lower funnel and at the same time leads to a whirling and stirring of the Suspension.

Das aus dem jeweiligen Bioreaktor entnommene, bezüglich Kohlendioxid abgerei­ cherte Gas kann entweder unmittelbar oder nach Anreicherung mit weiterem Kohlen­ dioxid in den nächsten Bioreaktor überführt werden.The removed from the respective bioreactor, with respect to carbon dioxide The gas can be released either immediately or after enrichment with additional coal dioxide are transferred to the next bioreactor.

Ein typischer für das Verfahren geeigneter Bioreaktor ist in der anliegenden Fig. 1 dargestellt.A typical bioreactor suitable for the process is shown in the attached FIG. 1.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild für Kohlendioxidgewinnung und -verwertung gemäß Unteransprüchen der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 shows a block diagram for carbon dioxide production and utilization according to subclaims of the present invention.

In der Fig. 1 bedeutetIn FIG. 1 means

1 der Bioreaktor
2 einen aus Plexiglas® gefertigten zylindrischen Behälter mit konischem Boden
3 einen Rührmotor
4 eine Antriebswelle
5 eine Begasungsturbine
6 zylindrische Einbauten
7 Leuchtkörper, die sich in den zylindrischen Einbauten befinden
8 eine Gasleitung für die Einleitung von Kohlendioxid oder mit Kohlendioxid angereichertem Gasgemisch
9 einen im konischen Teil des Bioreaktors ringförmig angeordneter Gasverteiler zur Einleitung von weiterem Kohlendioxid oder mit Kohlendioxid angereichertem Gas
10 einen abnehmbarer aber fest verschlossenen Deckel des Bioreaktors
11 Zuleitung für elektrischen Strom für die Leuchtkörper 7
12 Ablaßventil am Ende des konischen Bodens zur Entnahme der Algensuspension
13 der vorzugsweise auch aus Plexiglas hergestellte zylindrische Teil des Bioreak­ tors
14 eine Leitung für den Austritt des bezüglich Kohlendioxid abgereicherten Gasge­ misches, welche vorzugsweise in den nächsten Bioreaktor geführt wird.
 1 the bioreactor
2 a cylindrical container made of Plexiglas® with a conical bottom
3 a stirring motor
4 a drive shaft
5 a gassing turbine
6 cylindrical internals
7 light fixtures located in the cylindrical fixtures
8 a gas line for the introduction of carbon dioxide or a gas mixture enriched with carbon dioxide
9 a gas distributor arranged in a ring in the conical part of the bioreactor for introducing further carbon dioxide or gas enriched with carbon dioxide
10 a removable but firmly closed lid of the bioreactor
11 supply line for electric current for the luminous elements 7
12 Drain valve at the end of the conical bottom to remove the algae suspension
13 the preferably also made of plexiglass cylindrical part of the bioreak gate
14 a line for the exit of the gas mixture depleted with respect to carbon dioxide, which is preferably led into the next bioreactor.

Für das erfindungsgemäße Verfahren kommen prinzipiell verschiedene Arten von Rot- und Grünalgen in Fragen, welche als Farbträger das Carotinoid Fucoxanthin oder Chlorophyll enthalten. Aus den Algen lassen sich neben Aminosäuren oder Eiweißen vor allem auch Polysaccharide wie Alginsäure, Carageen, Laminarin etc. gewinnen. Einige Algenarten sind darüber hinaus in der Lage, auch Stickstoff und Phosphor sowie Spurenelemente Kupfer und Jod zu speichern, so daß sie als Beifutter in der Viehzucht oder als Düngemittel verwendet werden können. Schließlich können aus Algen auch Nahrungsergänzungsmittel für die menschliche Ernährung gewonnen werden.In principle, different types of come for the method according to the invention Red and green algae in questions as the color carrier the carotenoid fucoxanthin or Contain chlorophyll. Algae can be used in addition to amino acids or proteins especially win polysaccharides such as alginic acid, carageen, laminarin etc. Some types of algae are also able, including nitrogen and phosphorus as well as trace elements to store copper and iodine, so that they can be used as supplementary feed in the Cattle breeding or can be used as fertilizer. Finally, can Algae also obtained dietary supplements for human consumption become.

Die Züchtung derartiger Algen ist bisher nur in flachen Schalen oder in lichtdurchläs­ sigen Schläuchen erfolgt, in denen sich die Algen mittels Kohlendioxideintrag bewe­ gen. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, derartige lichtdurchlässige Schläuche auf konischen Konstruktionen aufzuwickeln, so daß Längen bis zu mehreren Kilome­ tern entstanden. Industrielle Anwendung haben derartig komplizierte Konstruktionen jedoch nicht gefunden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist erstmals auch im größe­ ren Maßstab durchführbar. Die Ernte der Algen kann bei optimaler Temperatur und optimalen sonstigen Parametern des Wachstums innerhalb weniger Tage erfolgen. Die Algensuspension wird dazu aus dem Bodenventil abgelassen und anschließend aufge­ arbeitet. Zu typischen Verarbeitungsschritten zählen dann Filtration oder Zentrifuga­ tion, Vakuum- oder Gefriertrocknung, Extraktion bezüglich bestimmter Inhaltsstoffe. Die abgetrennte Flüssigkeit kann gegebenenfalls nach Ergänzung und Reinigung erneut in den Bioreaktoren eingesetzt und zur Algenzucht verwendet werden. Es ist somit möglich, eine Algenzuchtanlage bestehend aus sogar mehreren 100 Bioreakto­ ren in Gewächshäusern unterzubringen.Growing such algae has so far only been possible in flat dishes or in translucent light hoses in which the algae move by means of carbon dioxide gen. It has also been proposed, such translucent tubes on conical constructions, so that lengths up to several kilometers emerged. Industrial applications have such complicated constructions however not found. For the first time, the method according to the invention is also large feasible. The algae can be harvested at the optimal temperature and optimal other parameters of growth take place within a few days. The  Algae suspension is drained from the bottom valve and then opened is working. Typical processing steps then include filtration or centrifuga tion, vacuum or freeze drying, extraction for certain ingredients. The separated liquid can optionally be added and cleaned used again in the bioreactors and used for algae cultivation. It is This makes it possible to build an algae plant consisting of several 100 bioreactors housing in greenhouses.

Claims (7)

1. Verfahren zur Verwertung von Kohlendioxid aus chemischen Prozessen durch Assimilation mit Hilfe der Photosynthese zu Biomasse und Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, daß Suspensionen von Algen in gerührten Bioreaktoren aus einem für UV-Licht durchlässigen Material unter gleichzeitigem Einsatz von Sonnenlicht- und Kunstlichtquellen gezüchtet werden und wobei das Kohlen­ dioxid oder mit Kohlendioxid angereicherte Gasgemisch in die Suspension eingerührt wird, die mit Kohlendioxid angereicherte Suspension an der Ge­ fäßwand und den Kunstlichtquellen vorbeigeführt wird und das bezüglich Kohlendioxid abgereicherte Gasgemisch gegebenenfalls unter Beimischung von weiterem Kohlendioxid in den jeweils nächsten Bioreaktor geleitet wird.1. A process for utilizing carbon dioxide from chemical processes by assimilation with the aid of photosynthesis to biomass and oxygen, characterized in that suspensions of algae are grown in stirred bioreactors from a material which is transparent to UV light, with the simultaneous use of sunlight and artificial light sources, and wherein the carbon dioxide or carbon dioxide-enriched gas mixture is stirred into the suspension, the carbon dioxide-enriched suspension is led past the wall of the vessel and the artificial light sources, and the gas mixture depleted in terms of carbon dioxide is passed, if appropriate with the addition of further carbon dioxide, into the next bioreactor. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlendioxid gewonnen wird aus dem Brennen von Kalk oder der thermischen Zersetzung von Metallcarbonaten.2. The method according to claim 1, characterized in that the carbon dioxide is obtained from the burning of lime or thermal decomposition of metal carbonates. 3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallcarbo­ nate gewonnen werden aus der thermischen Umsetzung von kohlenstoffhalti­ gen organischen Substanzen oder Reststoffen unter Luftausschluß in Alka­ lihydroxidschmelzen unter gleichzeitiger Bildung von Metallhydriden und Wasserstoff.3. The method according to claim 2, characterized in that the metal carbo nate are obtained from the thermal conversion of carbon organic substances or residues with exclusion of air in Alka Iihydroxide melts with the simultaneous formation of metal hydrides and Hydrogen. 4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallhydride und/oder der Wasserstoff verwendet werden zur Stromerzeugung für die Kunstlichtquellen.4. The method according to claim 3, characterized in that the metal hydrides and / or the hydrogen used to generate electricity for the Artificial light sources. 5. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom­ erzeugung für die Kunstlichtquellen ganz oder teilweise mittels Photovoltaik gewonnen wird. 5. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the current Generation for the artificial light sources in whole or in part by means of photovoltaics is won.   6. Bioreaktor zur Züchtung von Algen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 beste­ hend aus einem UV-Licht durchlässigen Mantel, im Inneren befindlichen UV- Lichtquellen, Einrichtungen zum Rühren der Algensuspensionen, Einrichtun­ gen zum Einleiten von Kohlendioxid und/oder mit Kohlendioxid angereicher­ ten Gas, Einrichtungen zur Ableitung von bezüglich Kohlendioxid abgerei­ chertem Gas, Einrichtungen zum Einleitung von Nährlösung, Einrichtung zur Ableitung der Algensuspension sowie Einrichtungen zur Steuerung der übrigen Einrichtungen.6. Bioreactor for growing algae according to one of claims 1 to 5 best consisting of a UV-permeable sheath, inside UV Light sources, equipment for stirring the algae suspensions, equipment conditions for introducing carbon dioxide and / or enriched with carbon dioxide gas, facilities for discharging carbon dioxide gas, facilities for introducing nutrient solution, facilities for Derivation of the algae suspension and facilities for controlling the rest Facilities. 7. Bioreaktor gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er einen koni­ schen Boden aufweist mit einer Einrichtung zur Einleitung von Kohlendioxid und/oder mit Kohlendioxid angereichertem Gas.7. Bioreactor according to claim 6, characterized in that it has a coni has soil with a device for introducing carbon dioxide and / or gas enriched with carbon dioxide.
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