CO ₂ -Umsetzer

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umsetzen von Kohlendioxid und einen Reaktor zur Photolyse oder Photokatalyse.

Die Reduktion des Kohlendioxidausstoßes ist ein anerkanntes Klimaziel. Zugleich herrscht weltweit ein großer Bedarf an Treibstoffen, die alternativ aus Biomasse als auch aus fossilen Treibstoffen erzeugt werden.

Der vorhandene Ausstoß von Kohlendioxid wird zumeist als schädliches Klimagas wahrgenommen und nicht mehr genutzt. Kohlendioxid fällt in großen Mengen bei allen Verbrennungs- und Gärprozessen an; er stellt insbesondere im Biogas einen großen nicht nutzbaren und als klimaschädlich deklarierten Bestandteil dar. Der Kohlendioxidausstoß wird deshalb entweder streng über Grenzwerte und handelbare bzw. nicht handelbare Emissionsrechte weltweit reguliert bzw. wie in Norwegen besteuert.

Um die wirtschaftlichen Belastungen, die mit dieser Regulierung verbunden sind, zu vermeiden, werden bereits Kraftwerke geplant, die ohne Emissionen von Kohlendioxid auskommen, bei denen Kohlendioxid abgetrennt und eingelagert wird. Die Abtrennung kann mit unterschiedlichen Verfahren erfolgen, z.B. nach einer Kohlevergasung, einer Verbrennung in Sauerstoffatmosphäre oder einer Cθ ₂ -Wäsche des Abgases.

Als mögliche CO ₂ Speicher gelten geologische Fermationen wie Erdöl- /Erdgaslagerstätten, salzhaltige Grundwasserleiter, Kohleflöze, oder Lagerstätten in der Tiefsee.

Nachteilig an dieser CO ₂ -Sequestrierung ist jedoch, dass zum Einen die Lagerung noch ungeklärt ist und damit teuer und aufwendig ist und zum Anderen die Leistung solcher CO ₂ -Sequestrierungsanlagen noch zu gering ist.

Eine weitere Möglichkeit der Reduktion von Kohlenmonoxid ist seine Umwandlung. Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der WO 02/08438, ist bekannt, mit Hilfe von Mikroorganismen Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff in Essigsäure und Ethanol zu wandeln.

Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, dass die Umsetzungsraten noch sehr gering sind und deshalb ein Großteil des eingebrachten CO ₂ noch als Abfallprodukt wieder ausgeschieden wird.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, das Problem der bis dato unwirtschaftlichen Verarbeitung von kohlenstoffhaltigen Gasen, insbesondere Kohlendioxid, zu lösen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung nach den Patentansprüchen gelöst.

In den meisten Verbrennungs- und Vergasungsprozessen entstehen kohlenstoffhaltige Gase, insbesondere Kohlendioxid zu einem großen Anteil. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung des erfindungsgemäßen Verfahrens können diese Gase genutzt, und beispielsweise zu Ethanol umgewandelt werden.

Dazu wird ein Gasstofftrennverfahren an katalytischen halbleitenden Oberflächen verwendet, wobei die dazu benötigte Ladungsenergie aus gleichzeitig ablaufenden biologischen Prozessen stammt. Nach der Gasstofftrennung wird das Gas einem Reaktor zur Photokatalyse zugeleitet, der in einer biologischen Dunkelreaktion Kohlendioxid umsetzt.

Kohlendioxidhaltiges Gas entsteht auch bei allen Fermentationsverfahren; so enthält Biogas bis zu 45 % Kohlendioxid, das bis jetzt nur dazu dient, die Klopffestigkeit des Biogases zu erhöhen, aber ansonsten ein großes Emissionsproblem darstellt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur schnellen Verarbeitung des Kohlendioxids können auch solche Prozesse mit großem Kohlendioxidausstoß

wesentlich effizienter gefahren werden, d.h. ohne mehrmaliges Durchlaufen eines Prozesses um eine geringfügige Verringerung des Kohlendioxidgehalts zu erreichen.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können 30% bis 50% des Kohlenstoffanteiles eines C0 ₂ -haltigen Gases zu Treibstoffen umgewandelt werden. Dabei kann insbesondere kohlenstoffhaltiges Gas jeder Qualität, insbesondere mit hohem Gehalt an Kohlendioxidgas, in Biotreibstoffe der ersten Generation wie Butanol, Ethanol, nutzbares Methan, hochreiner Wasserstoff oder kurzkettige Fettsäuren umgewandelt werden. In weiteren Schritten besteht durch Einsatz von Metallchloriden als Katalysator die nachgewiesene Möglichkeit der Herstellung von Basischemikalien wie HMF (5-Hydroxymethylfurfural), ein Vorprodukt für Treibstoffe der 2. Generation wie DMF. Dabei kann biophysikalisch sichergestellt werden, dass störende Stoffe, wie Organosilikate, den Anforderungen der Brennstoffzellen und Motorenhersteller entsprechen. Begleitendes Kohlenmonoxid, Stickoxid und Schwefelsulfid aus den Verbrennungs- und Biogasen, die für jetzige bio- und metallkatalytische Systeme ab minimalen Konzentrationen toxisch sind, können entweder in unschädliche Verbindungen synthetisiert werden, oder werden durch temporäre Bindung und späteren Umbau voll dem System wieder zur Verfügung gestellt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reduktion von Kohlendioxid.

Für das Gasstofftrennen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das kohlenstoffhaltige Gas, wie beispielsweise ein Biogas oder Verbrennungsabgase über einen selbstreinigenden keramischen Wabenreaktor 2 geleitet. Die toxisch wirkenden Gase wie NOχ werden dabei in unschädliche Verbindungen auch bei niedrigen Temperaturen synthetisiert. Der Wabenreaktor 2 hat eine katalytisch aktive Oberfläche zur Verhinderung eines Potentialabfalls im Reaktor. Die dazu benötigte Ladungsenergie wird langsam und kontinuierlich von biologischen Systemen in-situ bereitgestellt.

Das durch den Wabenreaktor 2 vorkatalysierte Gasgemisch oder Gas wird über die Leitung 1.1 dem Reaktor zur Photolyse und Photokatalyse 4 zugeleitet.

Enthalten im Reaktor zur Photolyse und Photokatalyse 4 ist eine halbleitende Beschichtung aus beispielsweise Diamant-, Magnetit- und Titandioxid. Durch eine technischbiologische Dunkelreaktion wird Kohlendioxid bzw. das kohlenstoffhaltige Gas umgesetzt. Im Reaktor zur Photolyse und Photokatalyse kommt es durch zusätzliches Anlegen eines schwachen Stroms zu Ladungstrennungen, die vorzugsweise mit hoher Geschwindigkeit vollzogen werden, wobei sich mikrobiologisch galvanische Elemente, bei Unterbrechung des angelegten schwachen Stroms, ausbilden, die eine Spannung ausbilden. Die nicht benötigten Stickoxide werden bei der Photokatalyse deutlich reduziert.

Zudem wird vorzugsweise eine mikrobiotische Mischung 6 zugegeben, die lichtemittierende, insbesondere phosphorisierende und lumineszierende Mikroorganismen enthält. Darüber hinaus kann die mikrobiotische Mischung 6 phototrope, insbesondere fakultativ phototrope Mikroorganismen enthalten. Zusätzlich kann die Mischung 6 Organismen enthalten, die Wasserstoff und Ethan bilden. Weiterhin können Magnetite und/oder magnetotaktische Mikroorganismen in der Mischung enthalten sein. Die oben beschriebene Mischung stellt zudem Zell- und Zellmembranschützende Moleküle zeitnah in der benötigten Konzentration bereit. Die eingesetzten Mikroorganismenstämme können vorzugsweise mit weiteren Stämmen und/oder funktionalen Mikroorganismen kombiniert werden.

Die im Reaktor für Photokatalyse 4 erzeugten und durchgeleiteten Gase 1.5, diese können gebundenes Kohlenmonoxid, Schwefelsulfid und Stickoxid, sowie Kohlendioxid, Wasserstoff, Ethan, Methan einzeln oder in Kombination sein, auch Synthese- oder Produktgas genannt, werden in einen Gasfermenter 8 geleitet und dort beispielsweise zu Ethanol, Butanol, HMF, DMF und Wasserstoff umgesetzt. Dieses erfolgt entweder über eine biologische Wassergas-Shift-Reaktion [CO + H ₂ O → CO ₂ + H ₂ ], wobei das entstehende Kohlendioxid wieder dem Photokatalysereaktor 4 zugeleitet wird. Der Wasserstoff ist hochrein und kann den Brennstoffzellen direkt zugeleitet werden. Die zweite wichtige Reaktion ist [6CO+ 3H ₂ O → C ₂ H ₅ OH +4CO ₂ ] zu Ethanol

und Kohlendioxid. Zudem kann Kohlendioxid bei der Ethanproduktion verbraucht werden durch folgende Umwandlung 6H ₂ + 2CO ₂ -> C ₂ H ₅ OH + 3H ₂ O.

Im Gasfermenter 8 sind für die biologische Wassergas-Shift-Reaktion beispielweise einzeln oder in Kombination folgende Stämme von Mikroorganismen enthalten:

Clostridium autoethanogenum Clostridium ljungdahlii Clostridium carboxidivorans Oxobacter pfennigii Peptostreptococcus productus Acetobacterium woodii Eubacterium limosum Butyribacterium methylotrophicum Rubrivivax gelatinosus Rhodopseudomonas palustris Rhodospirillum rubrum Citrobacter sp Methanosarcina barkeri Methanosarcina acetivorans Thermophilic bacteria Moorella thermoacetica Moorella thermoautotrophica Moorella strain

Carboxydothermus hydrogenoformans Carboxydibrachium pacificus Carboxydocella sporoproducens Carboxydocella thermoautotrophica Thermincola carboxydiphila Thermincola ferriacetica Thermolithobacter carboxydivorans Thermosinus carboxydivorans Desulfotomaculum kuznetsovii

Desulfotomaculum thermobenzoicum subsp.thermosyntrophicum

Desulfotomaculum carboxydivorans

Thermophilic archaea

Methanothermobacterthermoautotrophicus

Thermococcus strain

Archaeoglobus fulgidus

Die genannten Mikroorganismen können durch weitere Mikroorganismen und/oder funktionalen Nanopartikeln, wie Titandioxid, kombiniert werden. Insbesondere kann ebenfalls eine Mischung aus lichtemittierenden und phototropen Mikroorganismen zugeführt werden.

Dem Gasfermenter 8 wird vorzugsweise zudem eine Mischung von Mikroorganismen zugegeben, die phosphorisierenden und luminisierenden Mikroorganismen enthalten, wobei die Lichtemission einen Anteil im UV-Spektrum hat. Durch das von den Mikroorganismen abgegebene UV-Licht, und gegebenenfalls enthaltenes Titandioxid wirkt die Mischung von Mikroorganismen (1.6) auf störende und hemmende Keime antibiotisch und antimykotisch. Weiter sind vorzugsweise Magnetite und/oder magnetotaktische Mikroorganismen in der Mischung enthalten.

Die erzeugten Produkte der Gasfermentation werden über eine Leitung 2.1 in einem Absetzfermenter 10 geleitet. In diesem befindet sich eine getauchte Membran 12, die als Trennmembran wirkt, an der hochreiner Wasserstoff und/oder Ethanol/Wasser abgezogen werden kann.

Aus dem Absetzfermenter 10 wird Wasserstoff über eine Leitung 4.3 abgegeben. Dieser kann in den Gasfermenter 8 zur Unterstützung der Fermentation zurückgeführt oder als hochreiner Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle aus dem System entnommen werden. Reststoffe können in den Gasfermenter 8 rückgeführt oder aus dem System entnommen werden.

Zugleich zum vorhergehenden Schritt oder alternativ kann ein Ethanol- Wassergemisch 14 (Permeat), das vorzugweise 65 - 86 % Prozent Ethanol enthält abgezogen werden, das einer weiteren Ethanolaufbereitung 16 zugeführt werden kann.

Bespielweise kann das Permeat 14 in eine Vakuumdestillation 16 geführt werden, in der die Absolution zu ca. 95 % Ethanol erfolgt, das wiederum bespielsweise über ein Molekularsieb 18 aufgereinigt werden kann. Damit ergibt sich ein hydrophobes Ethanol 20 mit 99,5 %.

überschüssiges Ethanol 22 kann verdünnt wieder in die Vakuumdestillation 16 rückgeführt werden.

Nicht zu Kohlenmonoxid und reaktivem Sauerstoff aufgespaltete Kohlendioxidverbindung können über fixierende autotrope biologische Prozesse zu größeren Kohlenstoffverbindungen umgebaut werden.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren zur Kohlendioxidreduktion durch Wiederverwendung des Gas-Kohlenstoffanteiles mithilfe reaktiven Sauerstoffes benötigte Energie kann größtenteils aus der nachgeschalteten Fermentation bereitgestellt werden.