Mit dem heute bei der gelenkten anaeroben Gärung orga- nischer Abfallstoffe wie z.B. Gülle, Speiseresten und Lebensmittelabfällen, Schlachtabfällen, Maische und Klärschlämmen erzeugten Biogas steht ein dem Erdgas adäquater wertvoller regenerativer Energieträger zur Verfügung, der einen hohen Heizwert von ca. 25.000 KJ/m3 hat. Von dem Gesamtenergiegehalt des Biogases werden im Blockheizkraftwerk ca. 33% zu Elektroenergie und 57% in Wärme umgewandelt, wobei ca. 12-20h der Wärmeenergie zum Betrieb der Biogasanlage benötigt werden.

In Abhängigkeit von den zu vergärenden Abfallstoffen und dem Gärverfahren enthält das Biogas ca. 60% Methan, 35% CO2, 1% Schwefelwasserstoff, Wasserstoff und Stickstoff. In optimierten zweistufigen Gärverfahren, in denen der eigentlichen Vergärung noch ein Hydro- lyseschritt vorgeschaltet ist (vgl. DE 296 05 625.1), werden Methangehalte von 65-75t erzielt. Der CO2-Gehalt dieses Biogases liegt bei 18%, Stickstoff ist zu 13% und Sauerstoff zu 4% enthalten. Der H2S-Gehalt kann in solchen Verfahren durch spezielle Ma nahmen in der Hydrolysestufe bis unter die Nachweisgrenze von 10 ppm gedrückt werden (vgl. DE 296 05 625.1).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein Verfahren und eine Anlage Nutzung von Biogas bereit- zustellen, womit das Biogas nicht nur einer energe- tischen, sondern auch einer stofflichen Nutzung zuge- führt wird und dabei ein effizienter Stoff- und Ener- giekreislauf gewährleistet wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Anlage gelöst, die aus einer üblichen Biogasanlage 1, einem nachgeschalteten Algenreaktor 2 zur phototrophen CO2- Entfernung und einem dem Algenreaktor 2 nachfolgenden Fermentor 3 zur Gewinnung von Poly- -hydroxybuttersäure (PHB) besteht. Im Sinne der Erfindung kann der Fermentor 3 auch zwei oder mehrere Fermentoren umfassen, wodurch es möglich ist, z. B. in einem Fermentor den Wachstumsproze und im anderen Fermentor den Produktbildungsproze durchzuführen. Für den Fall, da das erzeugte Biogas nachweisbare Mengen an Schwefelwasserstoff enthält, kann zwischen Biogasanlage 1 und Algenreaktor 2 eine Entschwefelungsanlage zwischengeschaltet werden. In der Regel wird jedoch die Entschwefelung einfacher durchgeführt durch Belüftung in der Hydrolysestufe (beim zweistufigen Verfahren) oder durch Einblasen von 3-5t Luft in den Gasdom des Biogasreaktors oder in den Gasspeicher, wodurch das H2S in Wasser und elementaren Schwefel übergeht. Der Algenreaktor 2 kann über die Rückführung 4 und der PHB- Fermentor 3 über die Rückführung 5 mit der Biogasanlage 1 verbunden sein, so da sowohl die Algenbiomasse aus dem Algenreaktor 2 als auch die Restbiomasse aus dem PHB-Fermentor 3 der Biogasanlage 1 wieder zugeführt und zu Biogas umgesetzt werden können. Erfindungsgemä kann die Rückführungsleitung 5 auch aus zwei Teilleitungen bestehen, wobei in einer Leitung die Restbiomasse und in der anderen Leitung der flüssige Ablauf der PHB-

Fermentation in die Biogasanlage geleitet wird. Es ist selbstverständlich auch möglich, Restbiomasse und flüssigen Ablauf alternierend durch Leitung 5 dem Biogasreaktor 1 zuzuleiten. Über die Nährstoffleitung 7 kann der Nährstoffbedarf der Algenpopulation im Algenreaktor 2 aus dem Ablauf des Biogasreaktors 1 gedeckt werden.

Der Einsatz des Algenreaktors in der erfindungsgemä en Anlage hat gegenüber alternativen adsorptiven Verfahren oder der Gaswäsche, die zur CO2-Entfernung ebenfalls eingesetzt werden könnten, den gro en Vorteil, da das entstandene Biogas nicht nur von CO2 gereinigt wird, sondern gleichzeitig Algenbiomasse erzeugt wird, die in die Biogasanlage 1 eingespeist werden kann (Rückführung über Leitung 4). Daneben wird Sauerstoff erzeugt, der mit dem Methan als Lebensgrundlage für die methanotrophen Bakterien dient.

Erfindungsgemä können als Algenreaktor übliche Reaktoren verwendet werden wie sie z. B. vom Institut für Getreideverarbeitung GmbH, (D-14558 Bergholz- Rehbrücke) oder B. Braun Biotech International (D-34212 Melsungen) kommerziell erhältlich sind oder auch in DE 41 34 813 Al beschrieben werden. Das Prinzip eines solchen Photobioreaktors ist bekannt und beruht auf der Ernährungsweise der photoautotrophen Algen, die CO2 als einzige Kohlenstoffquelle verwenden können, Biomasse aufbauen, Sauerstoff erzeugen und die dazu notwendige Energie aus dem Licht gewinnen.

Erfindungsgemä bevorzugt werden im Algenreaktor Algenmischpopulationen aus schnellwachsenden Blau- und Grünalgen eingesetzt, die aus natürlichen hochbelasteten Gewässern gewonnen werden können. Durch

die Einstellung der Verfahrensparameter während der Adaptionsphase erfolgt eine Selektion dieser Algen. Die Algen, deren Lebensbedingungen am besten erfüllt werden, erreichen höhere Wachstumsraten und bilden Massenentwicklungen aus. Die Reproduktion der Algen wird über die Einstellung eines Orthophosphat-Gehaltes von > 100 yg/l für Grünalgen und > 150yg/l für Blaualgen gewährleistet. Der Nährstoffgehalt in der Adaptionsphase mu dem des Entnahmeortes der Algenpopulation entsprechen, um ein Absterben bzw. lange Adaptionszeiten der Algenpopulation zu vermeiden.

Die Algenmischpopulation wird durch Belüften mit Biogas bei gleichzeitiger Versorgung mit Nährstoffen, Licht und Wärme bei einer Temperatur von 10-310C, vorzugsweise 25-300C, und einer Lichtintensität > 500 Lux an das Kohlendioxid-Niveau im umgebenden Medium adaptiert. Vorzugsweise wird das natürliche Sonnenlicht genutzt.

Als Photobioreaktor kann z. B. ein Tubularreaktor zum Einsatz kommen, in dem ca. 10-20 W der Algenbiomasse trägerfixiert vorliegen. Die Trägerfixierung hat den Vorteil, da ein höherer Anreicherungsgrad von Biomasse im Reaktor erreicht wird, und damit der CO2-Umsatz gesteigert wird. Andererseits ist trägerfixierte Biomasse gegenüber Schwankungen der eingestellten Parameter nicht so anfällig wie eine frei schwebende Population. Der Nährstoffgehalt der Algenpopulation wird aus dem Ablauf des Biogasreaktors (Nährstoffleitung 7) gedeckt. Der Tubularreaktor ist so ausgebildet, da die Strömungsgeschwindigkeit durch Zulauf, CO2-Gaseintrag und Ablauf, die Strömungsrichtung durch Einbau von Schikanen geregelt wird. Die Strömungsgeschwindigkeit ist so eingestellt, da einerseits ein intensiver Kontakt zwischen der

Algensuspension und dem CO2 ermöglicht wird und andererseits keine Gassäcke von noch vorhandenem CO2 oder bereits gebildetem °2 im Reaktor entstehen können.

Mit der erfindungsgemä en Anlage wird - je nach Bedarf - ein Teil des erzeugten Methan-/Sauerstoffgasgemisches durch methanotrophe Bakterien zu Poly- - hydroxybuttersäure (PHB) , einem vielversprechenden biologisch abbaubaren Polymer, umgesetzt. Dabei kann der Fermentationsproze unsteril geführt werden, wobei durch Wahl geeigneter Proze bedingungen ca. 50% PHB in der Bakterienbiomasse akkumuliert werden. Da in diesem Proze das Methan des Biogases nur unvollständig genutzt wird (Gasnutzungsgrad 30-50%), kann das restliche Fermentationsgas über Leitung 6 in den Energiegewinnungskreislauf geführt werden und stellt somit keine Umweltbelastung da. Die PHB wird aus der Biomasse durch übliche enzymatische oder extraktive Verfahren gewonnen und zeichnet sich durch hohe Molekulargewichte > 1 Million aus. Die verbleibende proteinreiche Restbiomasse kann - sofern keine andere Verwertung vorgesehen ist - über die Rückführung 5 wieder in die Biogasanlage zurückgeführt werden und zur Biogasgewinnung eingesetzt werden. Die in dem stark exothermen Wachstums-/Produkbildungsproze der methanotrophen Bakterien freiwerdende Wärme wird in dem Gesamtverfahren genutzt, um Wärmedefizite des schwach exothermen Biogasprozesses und des Algenreaktors auszugleichen.

Als Biogasanlage kann jede übliche, im Stand der Technik bekannte Anlage Verwendung finden, ganz gleich ob es sich dabei um ein einstufiges oder zweistufiges Verfahren zur Vergärung von organischen Abfallstoffen

handelt. Wichtig ist lediglich, da das entstandene Biogas von H2S und CO2 gereinigt wird.

Erfindungsgemä wird das Biogas einer stofflichen und einer energetischen Nutzung zugeführt. Die im Blockheizkraftwerk (BHKW) erzeugte thermische und elektrische Energie wird zu einem Teil für die Biogasanlage 1, den Algenreaktor 2 und den PHB- Fermentor 3 genutzt. Die Algenbiomasse wird aus dem Algenreaktor 2 über die Rückführung 4 der Biogasanlage wieder zugeführt, ebenso wie die Restbiomasse aus dem PHB-Fermentor über die Rückführung 5. Erfindungsgemä ist es auch möglich, die Algenbiomasse zunächst einer Extraktionsanlage zuzuführen, um z. B. die Carotinoide zu isolieren, die als Nahrungsmittel farbstoffe oder in der Kosmetikindustrie Verwendung finden können. In diesem Fall wird dann die nach der Extraktion verbleibende Restbiomasse der Biogasanlage zugeführt.

Die Fermentationsabgase aus dem PHB-Fermentor werden über die Zuleitung 6 einer energetischen Nutzung zugeführt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemä en Verfahrens zur PHB-Herstellung aus Biogas wird ein methanotropher Bakterienstamm mit dem Methan-/Sauerstoffgasgemisch in Gegenwart eines wä rigen Nährmediums unter unsterilen Bedingungen kultiviert, wobei der Wachstumsproze kontinuierlich und der Produktbildungsproze kontinuierlich oder diskontinuierlich geführt werden, und aus der erhaltenen Biomasse die PHB auf an sich üblich Weise durch Extraktion gewonnen wird.

Die Kultivierung erfolgt in einem Temperaturbereich von 20-420C, vorzugsweise von 32-380C bei pH-Werten von 5,2 - 6,8, vorzugsweise von 5,5 - 6,0, bei Drücken bis zu 0,6 MPa und einem Gelöstsauerstoffgehalt von 0,5 - 90% des Sättigungswertes der Luft.

Als methanotropher Bakterienstamm wird vorzugsweise der Stamm Methylocystis spec. DSM 7674 eingesetzt. Dieser Stamm wird erstmalig in DD 148 465 beschrieben. Der Stamm wurde in der ZIMET-Hinterlegungsstelle Jena zunächst unter der Nummer ZIMET B 502 hinterlegt und später in die Deutsche Sammlung für Mikroorganismen und Zellkulturen(DSMZ) überführt. Es ist jedoch erfindungsgemä auch möglich, eine andere methanotrophe Bakterienkultur einzusetzen, die unter unsterilen Bedingungen kultiviert werden kann und mit Biogas als einziger Kohlenstoffquelle eine gute Anreicherung von PHB in der Biomasse gewährleistet.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemä en PHB-Verfahrens werden Wachstums- und Produktbildungsproze alternierend durchgeführt. Der Wachstumsproze erfolgt bei Durchflu raten D = 0,1 - 0,2 h-1, vorzugsweise bei 0,13 - 0,15 h-1, der Produktbildungsproze bei D = 0,04 - 0,05h-1 oder diskontinuierlich. Der Produktbildungsproze wird unmittelbar aus dem Wachstumsproze gestartet, nachdem die Ammoniumstickstoffdosierung auf 10% des Bedarfs reduziert wird. Nach einer Produktbildungsphase von 6- 10 Stunden, vorzugsweise 8 Stunden, wird ein Teil des Fermentorinhaltes, vorzugsweise 50%, geerntet und der verbleibende Rest mit Nährlösung aufgefüllt. Nach ausreichender Ammoniumstickstoffzugabe setzt sofort wieder das Wachstum ein, und nach Erreichen der ursprünglichen Biomassekonzentration kann nach 12-20

Stunden, vorzugsweise 16-17 Stunden, wieder der Produktbildungsproze gestartet werden. Auf diese Weise kann PHB ohne Unterbrechung durch zyklische Wachstums- und Produktbildungsprozesse über Monate erzeugt werden.

Die Gewinnung der PHB aus der Biomasse erfolgt mit Standardextraktionsmethoden, z.B. durch Vorextraktion mit Methanol (Feststoff-Lösungsmittelverhältnis 1:5), anschlie ende Extraktion mit 1,2-Dichlorethan (Feststoff-Lösungsmittelverhältnis 1:10, Temperatur 830C, vierstufig, Extraktionsdauer 15 min.) und nachfolgende Ausfällung mit Azeton (4-80C, Feststoff- Lösungsmittelverhältnis 1:1), wobei es für den Fachmann kein Problem darstellt, diese Methoden entsprechend zu modifizieren und zu optimieren.

Mit dem erfindungsgemä en PHB-Verfahren werden bei Kultivierungszeiten von ca. 10 Stunden PHB-Gehalte in der Biomasse von mindestens 35% erreicht. Die Molekulargewichte der erfindungsgemä hergestellten Poly- -hydroxybuttersäure liegen zwischen 1,2-1,6 Mio.

Das erfindungsgemä e PHB-Verfahren ist leicht handhabbar, da es unter unsterilen Bedingungen arbeitet, die Substrate stellen billige Rohstoffe da.

Erfindungsgemä werden somit eine Anlage und ein neues Verfahren zur Verfügung gestellt, mit denen ein hochwertiges Biopolymer aus Biogas, das bei der Verwertung von Abfallstoffen anfällt, erzeugt wird. Die erfindungsgemä e Anlage nutzt Stoffkreisläufe und vereinigt die Beseitigung von Bioabfall, die Gewinnung von Biogas, die Herstellung von PHB und die Gewinnung von Energie.

Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, da die Biomasse der PHB-Fermentation durch Rückführung in die Biogasanlage wieder zu CO2 und CH4 abgebaut und damit im Kreislauf geführt wird.

Ausführunqsbeispiele: Ein erfindungsgemä bevorzugtes Anlagenschema ist in Fig. 1 dargestellt.

In der Biogasanlage 1 werden organische Stoffe durch Vergärung zu Biogas umgesetzt, das bereits entschwefelt ist und dem Algenreaktor 2 zugeführt wird. Im Algenreaktor 2 wird das CO2 von den Algen vorwiegend mit Hilfe der natürlichen Sonnenstrahlung zum Aufbau von Biomasse genutzt. Gleichzeitig wird durch den Proze der Photosynthese Sauerstoff freigesetzt. Die benötigten Nährstoffe können über die Leitung 7 aus dem Ablauf des Biogasreaktors 1 dem Algenreaktor 2 zugeführt werden.

Methan und Sauerstoff verlassen den Algenreaktor 2 in der Zusammensetzung 50:50% bis 70:30%. Diese Gase werden entweder direkt oder nach Zwischenspeicherung im Verhältnis CH4/O2=0,85-1,25 in den PHB-Fermentor geführt. Das Gasgemisch kann auch mit zusätzlicher Luft auf das gewünschte Verhältnis eingestellt werden. Die Begasungsintensität beträgt im Fermentor 3 pro 1 kg Biomassesuspension 150 l/h. Rührerdrehzahl und Druck werden automatisch so geregelt, da die Konzentration des Gelöstsauerstoffes bei 0,5 bis 15 W der Sättigung liegt. Die Temperatur wird auf 38 OC, der pH-Wert auf 5,7 eingestellt. Eingesetzt wird eine in einer Impfstrecke vorgezüchtete methanotrophe Mischkultur mit

der Hauptkomponente Methylocystis spec. DSM 7674 mit einer Biomassekonzentration von 28 g/l. Es wird eine Durchflu rate von 0,15 h eingestellt, wobei mit einer optimierten Nährlösung sowie über die pH-Regelung mit einer 2%igen Ammoniaklösung ständig ein Überschu an Nährsalzen in Abhängigkeit von der Biomassekonzentration aufrechterhalten wird. Nach 2h Kultivierungszeit wird der Produktbildungsproze gestartet. Der PHB-Fermentor 3 ist über die Leitung 5 mit dem Biogasreaktor verbunden, so da die verbleibende proteinreiche Restbiomasse aus dem Fermentor 3 wieder zur Biogasgewinnung in den Reaktor 1 zurückgeführt wird. Ebenso wird über Leitung 4 die Algenbiomasse aus dem Algenreaktor 2 in die Biogasanlage 1 eingespeist.

BUDAPESTER VERTRAG OBER DIE INTERNATIONAL ANERKENNUNG DER HINTERLEGUNG VON @IKROORGANISMEN FOR DIE ZWECKE VON PATENTVERFAHREN INTERNATIONALES FORMBLATT UFZ-Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH Permoserstr. 15 04318 Leipzig EMPFANGSBESTÄTIGUNG BEI ERSTHINTERLEGUNG, ausgestellt gema Regel 7.1 von der unten angegebenen INTERNATIONALEN HINTERLEGUNGSSTELLE 1. KENNZEICHNUNG DES MIKROORGANISMUS Vom HINTLEGER zugeteiltes Bezugszeichen Von der INTERNATIONALEN HINTERLEGUNGSST, ELLE zugeteilte EINGANGSNUMMER: GB 25, ZIMET B 502, DSM 7674 DSM 7674 II. WlSSENSCHAFILICilE BESCHREIBUNG UNDODER VORGESCHLAGENE TAXONOMISCHE BEZEICIINUNG Mit dem unter I bezeietirteten Miliroorganismw wurde (X> eine wissernehaftliehe Beschreibung (X ) eine vorgescht4ene taxonotntsche Bezeichautig eingereicht fZutgdEcndes anicreuzen) 111 EINGANG UND ANNAHME Diesc LMUjok Hinteriegungsatelle ninimt den tmtr 1 bezeichneten Mikririorganismus an der bei ihr am 1981-10-01 (Datum der Ersihiniorleguag)' eingegangen ist IV. EINGANG DES ANTRAGS AUF UMWANDLUNG Der unter I bezeichnete Milooorganisrnus ist bei dieser Internationalen Hinteriegungsstelle m am 1979-04-19 cingegangen datum der Erst- îultung) und ein Antrag auf Umwandlung dieser Etsihinterlegung in eine Hinteitegung gemaft Budapester Vertrag ist am 1996 -11-08 eingsgmgett (Datuat des Einguys des Antags aus Umwrndlunb). V. INTERNATIONALE HINI1ERLEGUNGSSTELLE Name: DSMZ-DEUTSCHE SAMMLUNG VON UnterschriR(en) der zur Verwertung der internationalen tl'ntericgungsstelle M1KROORGANISEN UND ZEUxULTUREN Gmbtl befugten Puson(cn) oder des (der) von ihr ertissentigten Bediensteten Anschrift: Mateheroder Weg Ib D-3s124 ruschweig Datum: 1996-11-08 Falls Regel 6.4 Buchstabe d zutrifft, ist dies der Zeitpunkt zu dem der Status einer internationalen Hinterlegungsstelle erworben worden ist BUDAPESTER VERTRAG OBER DIE INTERNATIONALE ANERKENNUNG DER HINTERLEGUNG VON MIKROORGANISMEN F#R DIE ZWECKE VON PATENTVERFAHREN INTERNATIONALES FORMBLATT UFZ-Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH Permoserstr. 15 04318 Leipzig LEBENSFÄHIGKEITSBESCHEINIGUNG ausgestclli gema Regel 10 2 von dcr unten angegebenen INTERNATIONALEN HINTERLEGUNGSSTELLE I HINTERLEGER II. KENNZEICIINUNG DES MIKROORGANISMUS Name: UFZ - Umwelt tors c hungs zentrum Von der INTERNATIONALEN IIINTERLEGUNGSSEU Leipzig-Halle GmbH zugeteilte EINGANGSNUMMER AnrchriA Permoserstr. 15 DSM 7674 04318 Leipzig Datum der Hinterlegung oder Weiterleitung' 1981-10-01 III. LEBENSFAHIGKEITSBESCHEINIGUNG Die Lcbensfthigkeil des unter II genannten Mikroorganismus ist am 1996 -09 - 2 geprttfl worden Zu diesem Zeitpunh war der Mikroorganismus (X)' lebensflzhig ( )' nichmeulcknslYlig IV BEDINGUNGEN UNTER DENEN DIE LEBENSFAHIGKEITSPRÜFUNG DURCHGEF0HRT WORDEN ISt IV. BIl>GUNGP(. UNTER DEE(M DIE LEBMSFAHIGKETrSPROFMG DURCHGEOHRT WORDM IS V. MTERIA11ONALE HllmRLEGUNGSSIEUE Nun: DSMZ-DEUTSCHE SAMMLUNG VON Unterschrift(en) der zur Vertretung der intern tiisrrd~ llintcriegungsstcllc MIKROORGANISMEN UND ZELLKULTUREN GmbH befugten Person(en) oder des (der) von ihr crrnachtletcn Bed cestetcn Anschrift: M scherodcr Weg 1 > b D3g 124 Braunschweig Datum: 1996-11-08 Angabe des Datums der Ersthinterlegung. Wenn eine erneute Hinterlegung oder eine Weiterleitung vorgenommen worden ist, Angabe des Datums der jeweils letzten erneuten Hinterlegung oder Weiterleitung.

In den in Regel 10.2 Buchstabe a Ziffer ii und iii vorgeschenen Fallen Angabe der letzten Lebensfähigkeitsprüfung Zutreffendes ankreuzen.

Ausfüllen, wenn die Angaben beantragt wordcn sind und wenn die Ergebnisse der Prufung negativ waren