Verfahren zum Erzeugen von Biomasse aus Mikroalgen durch Photosynthese

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen von Biomasse aus Mikroalgen durch Photosynthese, wobei die Mikroalgen in einem wässrigen Substrat, dem eine mit Kohlendioxid angereicherte Waschlösung zugeführt wird, mit Licht bestrahlt werden, bevor der anfallende überschuss an Biomasse aus dem Substrat abgetrennt wird.

Stand der Technik

Um Biomasse aus Mikroalgen durch Photosynthese herzustellen, sind die Mikroalgen in einem entsprechenden mit Nährstoffen versetzten, wässrigen Substrat einer Lichtstrahlung auszusetzen und mit ausreichend Kohlendioxid zu versorgen, und zwar bei einer Substrattemperatur zwischen 15 und 30 ⁰ C, vorzugsweise zwischen 20 und 25 ⁰ C. Um insbesondere die Kohlendioxidversorgung sicherzustellen, ist es bekannt, das in Abgasen von Verbrennungsvorgängen enthaltene Kohlendioxid einzusetzen, indem die Abgase beispielsweise von Heizkesseln durch das die Mikroalgen aufnehmende Substrat geleitet werden, was jedoch zu einem raschen Ausgasen des Kohlendioxids aus dem Substrat und damit zu einer ungleichmäßigen und nicht befriedigenden Versorgung der Algen mit Kohlendioxid führt, zumal der Anteil des Kohlendioxids an den Abgasen nur etwa 15 bis 25 Vol.% beträgt.

Darüber hinaus ist es bekannt (WO 2004/033075 A1), den Kohlendioxidbedarf der Mikroalgen zu ihrer Vermehrung dazu zu nützen, das Kohlendioxid, das

den Brennwert von Synthesegas vermindert, aus dem Synthesegas auszuwaschen und mit Hilfe der Mikroalgen zu fixieren. Zu diesem Zweck wird u. a. vorgeschlagen, die Synthesegase mit einer biomassefreien Flüssigkeit in konstruktiv aufwändiger Art zu waschen, um aufgrund der im Vergleich zu den Kohlenwasserstoffen höheren Löslichkeit des Kohlendioxids das Kohlendioxid in wässriger Lösung aus dem Synthesegas abzutrennen und die an Kohlendioxid angereicherte Waschlösung den Mikroalgen zuzuführen, wobei der von den Mikroalgen abgegebene Sauerstoff gesammelt und der durch Reproduktion und Wachstum entstehende Biomasseüberschuss abgetrennt wird, sodass die Biomasse lediglich als Nebenprodukt anfällt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe Biomasse aus Mikroalgen durch Photosynthese mit geringem Energieeinsatz wirtschaftlich im industriellen Maßstab erzeugt werden kann.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass das eine freie Oberfläche bildende Substrat mit den Mikroalgen eine obere Reaktionsschicht bildet, die auf einer durch eine Folie getrennten, unteren Speicherschicht aus der mit Kohlendioxid angereicherten, mit Nährstoffen für die Mikroalgen versetzten Waschlösung aufruht, und dass zur Gewinnung von Biomasse eine vorbestimmte Menge an Mikroalgen und Substrat aus der in einer Umlaufströmung geführten Reaktionsschicht zyklisch abgezogen und durch Waschlösung aus der entsprechend den Abgabemengen aufzufüllenden Speicherschicht ersetzt wird.

Da das Kohlendioxid in an sich bekannter Weise den Mikroalgen gelöst in einer Waschlösung angeboten wird, die ein mit Nährstoffen für die Mikroalgen versetztes Substrat zur Aufnahme der Mikroalgen bildet, steht das Kohlendioxid den Mikroalgen über das gesamte Substratvolumen gleichmäßig zur Verfügung, was eine wesentliche Voraussetzung für ein gleichmäßiges Wachstum

der Mikroalgen darstellt. Das Kohlendioxid kann dabei mit bekannten Verfahren aus den Abgasen von Verbrennungsvorgängen ausgewaschen werden, wobei sich herausgestellt hat, dass mit dem Kohlendioxid ausgewaschene Abgasbestandteile, wie z. B. Schwefel, als Nährstoffe für die Mikroalgen dienen können. Damit die für die Algenvermehrung vorteilhaften Temperaturbereiche in wirtschaftlicher Weise sichergestellt werden können, wird die mit Kohlendioxid angereicherte Waschflüssigkeit, die zum Ergänzen des Substrats nach dem zyklischen Abtrennen der Biomasse benötigt wird, einer als Wärmespeicher dienenden Speicherschicht entnommen, auf der die Reaktionsschicht aus dem die Mikroalgen aufnehmenden Substrat aufruht, sodass zwischen der Reaktionsschicht und der von der Reaktionsschicht vorzugsweise nur durch eine Folie getrennten Speicherschicht ein Wärmeaustausch stattfindet, der bei einer entsprechenden Bemessung der Speicherschicht die Wärmeabgabe oder Wärmeaufnahme der Reaktionsschicht über die freie Oberfläche weitgehend ausgleicht, sodass eine ausreichend konstante Reaktionstemperatur in der Reaktionsschicht sichergestellt werden kann, ohne in der Reaktionsschicht Heiz- bzw. Kühleinrichtungen vorsehen zu müssen. Die Umwälzung der Reaktionsschicht in einer Umlaufbahn fördert nicht nur den Wärmeaustausch mit der Speicherschicht, sondern bedingt auch eine Bewegung der Mikroalgen im Substrat, sodass die Mikroalgen einer für ein gleichmäßiges Wachstum gleichmäßigen Bestrahlung mit Licht ausgesetzt werden.

Nach einem Abzug einer entsprechenden Menge an Substrat und Biomasse wird das abgezogene Volumen mit Hilfe von Waschlösung aus der Speicherschicht aufgefüllt. Eine besondere Temperaturanpassung der aus der Speicherschicht abgezogenen Menge an Waschlösung an die Temperatur der Reaktionsschicht ist wegen des Temperaturaustauschs zwischen diesen beiden Schichten nicht erforderlich. Damit eine für das Algenwachstum jeweils günstige Temperatur eingehalten werden kann, kann die Speicherschicht in einem vorgegebenen Temperaturbereich gehalten werden, was unter Umständen eine zusätzliche Erwärmung der Waschlösung innerhalb der Speicherschicht erfordert. Wird die Speicherschicht in einer zur Umlaufströmung der

Reaktionsschicht gegensinnigen Umlaufströmung bewegt, so kann der Wärmeaustausch zwischen diesen beiden Schichten beschleunigt werden. Es braucht wohl nicht besonders hervorgehoben zu werden, dass aufgrund des Umstandes, dass die Speicherschicht als Wärmespeicher dienen soll, das Volumen der Speicherschicht angemessen größer als das der Reaktionsschicht gewählt werden soll. Im Allgemeinen wird eine Speicherschicht, die zumindest angenähert das doppelte Volumen der Reaktionsschicht aufweist, die Anforderungen hinsichtlich der Speicherkapazität erfüllen können, zumal die Höhe der Reaktionsschicht aufgrund der Forderung nach einer gleichmäßigen Lichtbestrahlung der Mikroalgen beschränkt ist.

Da die Dichten der Reaktionsschicht und der Speicherschicht im Wesentlichen gleich sind - die Reaktionsschicht wird ja aus der Speicherschicht gespeist -, bleiben die Belastungen der die beiden Schichten voneinander trennenden Folie gering. Die Folie ist aber auch aus diesem Grund randseitig festzulegen, um örtlich ein vorgegebenes Verhältnis der Schichthöhen sicherzustellen. Mit der randseitigen Festlegung der Folie können somit auch Schichthöhenverläufe festgelegt werden, was dazu genützt werden kann, die Reaktionsschicht über durch die Folie gebildete Rampen in der Umlaufströmung zu führen, um eine entsprechende Umwälzbewegung innerhalb des die Mikroalgen aufnehmenden Substrats auch mit einer vertikalen Strömungskomponente zu unterstützen.

Zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens kann von einer Vorrichtung mit einem eine Reaktionsschicht aus einem Substrat und Mikroalgen aufnehmenden Becken ausgegangen werden. Um ein solches Becken für das angegebene Verfahren geeignet zu machen, kann vorgesehen werden, dass das Becken durch wenigstens eine Trennwand in sich zu einer Umlaufbahn ergänzende Strömungswege aufgeteilt ist, dass die Strömungswege der Höhe nach durch eine an der Trennwand und den Beckenwänden festgelegte Folie in eine untere Speicherkammer für eine mit Kohlendioxid angereicherte und mit Nährstoffen für die Mikroalgen versetzte Waschlösung und in eine obere Reaktionskammer für das die Mikroalgen aufnehmende Substrat getrennt sind, dass das

Becken eine Fördereinrichtung zum Umwälzen des die Mikroalgen aufnehmenden Substrats entlang der Umlaufbahn aufweist und dass eine die Waschflüssigkeit aus der Speicherkammer in die Reaktionskammer fördernde Pumpeinrichtung vorgesehen ist.

Mit der der Höhe nach durch die Folie unterteilten Umlaufbahn ergeben sich einfache Konstruktionsverhältnisse für die auf einer Speicherschicht aufzubauende Reaktionsschicht, die mit Hilfe einer Förderrichtung in eine Umwälzbewegung versetzt wird, um die Mikroalgen insbesondere einer gleichmäßigen Lichtbestrahlung aussetzen zu können. Das Abziehen der auf ein bestimmtes, vorgegebenes Maß angewachsenen Biomasse aus der Reaktionskammer kann über eine entsprechende Pumpe ohne besonderen Aufwand vorgenommen werden. Mit ähnlich geringem Aufwand kann die Reaktionsschicht wieder auf die ursprüngliche Füllhöhe aufgefüllt werden, indem eine entsprechende Menge an Waschlösung aus der Speicherschicht in die Reaktionsschicht gepumpt wird. Die Speicherschicht selbst ist ebenfalls nachzufüllen, was aus einem Vorratsspeicher für die mit Kohlendioxid angereicherte Waschlösung vorgenommen werden kann, wobei entweder der Waschlösung im Vorratsbehälter oder der aus dem Vorratsbehälter entnommenen Waschlösung die Nährstoffe für die Mikroalgen bzw. zusätzliche Hilfsstoffe zugesetzt werden können, beispielsweise zum Einstellen des pH-Wertes.

Umfasst die Fördereinrichtung zum Umwälzen des die Mikroalgen aufnehmenden Substrats wenigstens eine oberhalb der Umlaufbahn gelagerte, mit ihren Borsten in das Substrat eingreifende Walzenbürste, so ergeben sich einerseits vorteilhafte Förderbedingungen für das Substrat und anderseits gute Voraussetzungen für eine Selbstreinigung, weil die Mikroalgen beim Austreten der Borsten aus dem Substrat von der Walzenbürste abgestreift werden und sich kein die Substratförderung behindernder Algenbelag an den Borsten anlagert. Außerdem kann mit Hilfe der Borsten der Walzenbürste die vertikale Bewegungskomponente der Mikroalgen innerhalb des Substrats unterstützt werden. Besonders vorteilhafte Konstruktionsverhältnisse ergeben sich in diesem Zu-

sammenhang, wenn die Folie vorzugsweise im Bereich der Walzenbürste eine in Förderrichtung des Substrats ansteigende Rampe bildet, die ein Fördern der Mikroalgen von unten nach oben innerhalb der Reaktionsschicht bewirkt.

Da die Dichten der Reaktionsschicht und der Speicherschicht annähernd gleich sind, kann das Becken zumindest einen von der Speicherkammer ausgehenden, oberhalb des Substratspiegels in der Reaktionskammer mündenden Schacht aufweisen, über den ein weitgehend freier Zugang zur Waschlösung der Speicherschicht gegeben ist. Die Füllhöhe in einem solchen Schacht entspricht ja im Wesentlichen aufgrund der weitgehend übereinstimmenden Dichten der Höhe des Substratspiegels in der Reaktionskammer.

üblicherweise reicht die Wärmespeicherfähigkeit der Speicherschicht aus, um Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht in einem zulässigen Bereich auszugleichen. Beim Absinken der über den Tag und die Nacht gemittelten Temperatur ist allerdings eine zusätzliche Erwärmung der Reaktionsschicht erforderlich, um ein optimales Algenwachstum beibehalten zu können. Zu diesem Zweck kann in der Speicherkammer ein Wärmetauscher zum Erwärmen der Waschlösung vorgesehen werden, über die dann das Substrat der Reaktionsschicht im Wärmaustausch erwärmt oder gegebenenfalls gekühlt werden kann.

Obwohl grundsätzlich ein Betrieb mit offenem Becken möglich wäre, empfiehlt sich eine lichtdurchlässige Einhausung des Beckens schon aus dem Umstand, dass für ein gleichmäßiges Algenwachstum die Reaktionsschicht vor Witterungseinflüssen weitgehend zu schützen ist. Außerdem bietet eine solche Einhausung die Möglichkeit, den sich im Deckenbereich der Einhausung ansammelnden Sauerstoff in Form von mit Sauerstoff angereicherter Luft abzuziehen und einer weiteren Verwendung zuzuführen. Das in geringen Mengen aus dem Substrat ausgasende Kohlendioxid sammelt sich aufgrund seiner größeren Dichte unmittelbar über der freien Oberfläche der Reaktionsschicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen einer Biomasse aus Mikroalgen durch Photosynthese in einem schematischen Blockschaltbild,

Fig. 2 das in der Fig. 1 angedeutete Becken in einem Schnitt nach der Linie II- Il der Fig. 1 in einem größeren Maßstab,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie IM-III der Fig. 1 ebenfalls in einem größeren Maßstab und

Fig. 4 die Befestigung der Folie zwischen der Speicherschicht und der Reaktionsschicht beispielsweise in einem vergrößerten Querschnitt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die dargestellte Vorrichtung zum Erzeugen von Biomasse aus Mikroalgen durch Photosynthese weist ein Becken 1 auf, das durch eine Trennwand 2 in zwei in der Fig. 1 durch Strömungspfeile angedeutete Strömungswege 3 unterteilt ist, die sich innerhalb des Beckens 1 zu einer Umlaufbahn ergänzen. Diese sich zu einer Umlaufbahn ergänzenden Strömungswege 3 sind der Höhe nach durch eine Folie 4 in eine untere Speicherkammer 5 und eine obere Reaktionskammer 6 geteilt. Die Anordnung ist dabei so getroffen, dass auch die untere Speicherkammer 5 mit einer Folie 7 ausgekleidet ist, die am Beckenrand bzw. am Rand der Trennwand 2 auf Anschlagleisten 8 festgeklemmt wird. Die Folie 4 zwischen der Speicherkammer 5 und der Reaktionskammer 6 wird ebenfalls an den Anschlagleisten 8 festgeklemmt, um in einfacher Weise einen flüssigkeitsdichten Abschluss zwischen diesen beiden Kammern 5 und 6 zu erreichen. Die Folie 4 ist allerdings der Höhe nach an den Beckenwänden 9 bzw. an der Trennwand 2 festzulegen. Zu diesem Zweck ist gemäß der Fig. 4 ein äußeres Klemmprofil 10 vorgesehen, das an der Beckenwand 9 bzw. an der Trennwand 2 befestigt ist und ein weiteres, inneres Klemmprofil 11 aufnimmt, zwi-

schen dem und dem äußeren Klemmprofil 10 sowohl die Folie 7 zur Auskleidung der Speicherkammer 5 als auch die Folie 4 zur Trennung der Speicherkammer 5 von der Reaktionskammer 6 geklemmt werden. Zur Sicherung der Klemmung der beiden Folien 4 und 6 zwischen den Klemmprofilen 10, 11 wird in das innere Klemmprofil 11 ein das innere Klemmprofil nach außen gegen das äußere Klemmprofil drückender Klemmkörper 13 eingesetzt. Da die Speicherkammer 5 mit einer Waschlösung gefüllt ist, deren Dichte angenähert der des Substrats in der Reaktionskammer 6 entspricht, wird auf die Trennfolie 4 keine besondere Zugbelastung ausgeübt, sodass an die mechanische Beanspruchung dieser Folie 4 kein hoher Maßstab angelegt werden muss.

Wie sich aus der Fig. 1 ergibt, liegt die Folie 4 nicht entlang des gesamten Umfangs an den Beckenwänden 9 an, sondern wird in den Eckbereichen mit Abstand von den Beckenwänden 9 geführt. Damit wird der Strömungsverlauf in der Reaktionskammer 6 unter Vermeidung von Strömungstoträumen verbessert. Es ergeben sich darüber hinaus zwischen der Folie 4 und der Folie 7 in den Eckbereichen des im Grundriss im Wesentlichen rechteckigen Beckens 1 von der Speicherkammer 5 aufsteigende Schächte 13, in denen die Waschlösung der Speicherkammer eine Füllhöhe aufweist, die der Höhe des Substratspiegels 14 in der Reaktionskammer 6 entspricht, wie dies insbesondere der Fig. 3 entnommen werden kann. Durch diese Schächte 13 ist die Waschlösung der Speicherkammer 4 von außerhalb der Speicherkammer 5 zugänglich.

Um das die Mikroalgen aufnehmende Substrat in der oberen Reaktionskammer 6 entlang der durch die Strömungswege bestimmten Umlaufbahn bewegen zu können, ist eine Fördereinrichtung 15 vorzusehen, die vorteilhaft als Walzenbürste 16 ausgebildet ist. Diese Walzenbürste 16 ist oberhalb des Substratspiegels 14 gelagert und ragt mit ihren radial abstehenden Borsten in das Substrat in der Reaktionskammer 6, sodass bei einem Antrieb der Walzenbürste 16 das Substrat durch die Borsten in eine Umlaufströmung versetzt wird. Aus der Fig. 3 ist ersichtlich, dass die Folie 4 zwischen der Speicherkammer 5 und der Reaktionskammer 6 im Bereich der Walzenbürste 16 eine in Strö-

mungsrichtung ansteigende Rampe 17 bildet. Zu diesem Zweck ist die aus den Klemmschienen 10, 11 und dem Klemmkörper 12 gebildete Klemmhalterung 18 für die Folie 4 entsprechend geneigt verlegt. Die ansteigende Rampe 17 bedingt insbesondere im Zusammenwirken mit der Walzenbürste 16 eine Bewegung der Mikroalgen mit einer ausgeprägten vertikalen Strömungskomponente, sodass die Mikroalgen innerhalb des Substrats auch einer vertikalen Umwälzbewegung unterworfen werden, was bei einer äußeren Lichtquelle eine nicht unerhebliche Voraussetzung für eine weitgehend gleichmäßige Lichtbestrahlung aller Mikroalgen über die Zeit zwischen zwei Biomasseausstößen darstellt.

Gemäß der Fig. 2 ist das Becken 1 mit einer lichtdurchlässigen Einhausung 19 versehen, die nicht nur das Substrat in der Reaktionskammer 6 vor äußeren Witterungseinflüssen schützt, sondern auch hilft, den von den Mikroalgen freigesetzten Sauerstoff zu sammeln und in Form von mit Sauerstoff angereicherter Luft anderen Verwendungen zuzuführen. Die hiefür in der Decke der Einhausung 19 vorgesehenen Abzüge sind in der Fig. 2 mit 20 bezeichnet. Die Lichtbestrahlung der Mikroalgen im Substrat kann bei nicht ausreichender Sonnenbestrahlung der Einhausung 19 durch Leuchtmittel 21 sichergestellt werden, die innerhalb der Einhausung 19 vorgesehen sind.

Zum Betrieb der dargestellten Vorrichtung wird gemäß der Fig. 1 das in der Reaktionskammer 6 befindliche, die Mikroalgen aufnehmende Substrat, das aus einer mit Kohlendioxid angereicherten, mit Nährstoffen für die Mikroalgen und allfälligen Hilfsstoffen versetzten Waschlösung besteht, mit Hilfe der Walzenbürste 16 in einer Umwälzbewegung geführt, und zwar bei vorgegebenen Temperaturbedingungen, die im Wärmeaustausch mit der in der Speicherkammer 5 befindlichen Waschlösung sichergestellt wird, die bereits mit den Nährstoffen für die Mikroalgen und allfälligen Hilfsstoffen versetzt ist. Um den durch die Wachstumsbedingungen der Mikroalgen vorgegebenen Temperaturbereich auch bei äußeren Umweltbedingungen aufrecht erhalten zu können, die diesen Anforderungen nicht entsprechen, kann die Speicherschicht in der

Speicherkammer 5 im Wärmeaustausch mit einem Wärmeträger zusätzlich erwärmt, aber auch gegebenenfalls gekühlt werden. Ein Wärmetauscher 22 mit einer in der Speicherkammer verlegten Rohrschlange für den Wärmeträger ist in der Fig. 1 strichliert angedeutet. Die Pumpe für den Wärmetauscher 22 ist mit 23 bezeichnet.

Hat das Wachstum der Mikroalgen ein vorbestimmtes Maß erreicht, was z. B. anhand der Trübe des Substrats festgestellt werden kann, so wird ein Teil des Substrats mit den Mikroalgen zur Gewinnung der Biomasse aus dem Becken abgezogen, und zwar über eine Austragsleitung 24. Das abgezogene Volumen wird durch die Waschlösung aus der Speicherkammer 5 ersetzt. Die Waschlösung wird zu diesem Zweck mit Hilfe einer Pumpe 25 aus der Speicherkammer 5 in die Reaktionskammer gefördert. Zum Nachfüllen der Waschlösung in der Speicherkammer dient ein Vorratsbehälter 26 mit einer Speisepumpe 27, über die Waschlösung in die Speicherkammer gepumpt wird, bis der Substratspiegel 14 in der Reaktionskammer 6 sein Ausgangsniveau erreicht hat, wonach ein weiterer Wachstumszyklus abläuft.

Da die mit Kohlendioxid angereicherte Waschlösung aus dem Vorratsbehälter 26 bereits mit den Nährstoffen für die Mikroalgen und allfälligen Hilfsstoffen versetzt ist, bedarf es keiner weiteren Maßnahmen, um nach dem Abzug der Biomasse aus der Reaktionskammer 6 das Substrat in der Reaktionskammer 6 durch die Waschlösung aus der Speicherkammer 5 zu ersetzen. Wegen der biegeweichen Folie 4 spielen Volumsschwankungen zwischen der Reaktionsschicht und der Speicherschicht keine Rolle.