DE102009039554A1

DE102009039554A1 - Verfahren zum Ernten von Algen aus einer Algensuspension, erstes, zweites und drittes Algensuspensionskonzentrat sowie erstes, zweites und drittes Nährflüssigkeitsfiltrat

Info

Publication number: DE102009039554A1
Application number: DE102009039554A
Authority: DE
Inventors: Claudia Dr. Thomsen
Original assignee: PHYTOLUTIONS GmbH
Current assignee: PHYTOLUTIONS GmbH
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2011-03-10
Also published as: DE112010003565A5; WO2011026482A1

Abstract

Insbesondere Salzwasseralgen haben großes Potential, um CO₂ umzuwandeln. Um die Algen aus ihrer natürlichen wässrigen Umgebung zu extrahieren werden energieintensive Zentrifugen zum Separieren eingesetzt.
Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zum Ernten von Algen aus einer Algensuspension vor, in dem eine Aufkonzentration der Algensuspension mittels eines Membranfilters erfolgt, sodass ein erstes Filtrat aus einer ersten Nährflüssigkeit und ein erstes Konzentrat aus einer Algensuspension vorliegen.
Somit kann ein energieeffizientes Ernteverfahren für die Gewinnung von Algen aus einer Algensuspension, insbesondere von Mikroalgen, in einer Mikroalgensuspension bereitgestellt werden.

Description

Die Erfindung offenbart ein Verfahren zur Ernte von Algen aus einer Algensuspension, insbesondere aus einer Mikroalgensuspension, wobei eine spezielle Art der Aufkonzentration der Algensuspension erfolgt.
Algen gelten als einer der aussichtsreichsten Mikroorganismen, um CO₂ zu binden bzw. umzuwandeln. Insbesondere werden solche Algen in Dieselkraftstoff umgewandelt. Bei dieser Umwandlung werden die Lipide ausgenutzt, welche in den Algen vorhanden sind. Weitere Umwandlungen zum Beispiel im Tierfutter oder Kosmetika sind bekannt.
Da Algen in wässrigen Lösungen gezüchtet werden oder wachsen, müssen die Algen von der wässrigen Lösung getrennt werden. In diesem Zusammenhang wird von den Algen auch als Biomasse gesprochen. Für das Abscheiden der Biomasse wird gemäß dem Stand der Technik das Zentrifugieren als etablierte Methode verwendet. Dabei werden in einer Zentrifuge die flüssigen von den festen Bestandteilen getrennt.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Ernten von Algen aus einer Algensuspension, insbesondere aus einer Mikroalgensuspension, wobei eine Aufkonzentration der Algensuspension mittels eines Membranfilters erfolgt, sodass ein erstes Filtrat aus einer Nährflüssigkeit und ein erstes Konzentrat aus einer Algensuspension vorliegt. Dadurch kann ein Verfahren bereitgestellt werden, bei dem der Energieeinsatz verringert ist.
Begrifflich sei folgendes erläutert:
Algen der hier bezeichneten Art umfassen in Wasser lebende oder sich in wässriger Umgebung vermehrende eukaryotische, pflanzenartige Lebewesen, die Photosynthese betreiben, jedoch taxonomisch nicht zu den eigentlichen Pflanzen gehören. Weiterhin sind sowohl Süß- als auch Meerwasseralgen umfasst. Insbesondere sind folgende Gruppen von Algen oder Algenarten umfasst: Haptophyta, Schlundgeißler (Cryptista), Dinozoa, Raphidophyceae, Chlorarachniophyta, Goldalgen (Chrysophyta), Kieselalgen (Bacillariophyta, auch Diatomeen), Braunalgen (Thaeophyta), Rotalgen (Rhodophyta), Grünalgen und Ticobiliphyta, wobei die hier aufgezählten Algen besonders bevorzugt in Salzwasser verwendet werden. Insbesondere können die Salzwasseralgen Nannochloropsis, Isochrysis, Phaeodactylum, Tetraselmis, Dunaniella und/oder Spirulina und die Süßwasseralgen Chlorella verwendet werden. Dabei können die Algen in dem Temparaturbereich von 0°C bis 40°C und bei Drücken von oberhalb 0 bar bis 5 bar und insbesondere bei Werten von ca. 1 bar kultiviert und/oder gezüchtet werden.
Als „Filtrat” wird insbesondere der flüssige Bestandteil der Algensuspension ohne Algen nach dem Filtrationsprozess bezeichnet. Dieses Filtrat enthält insbesondere auch noch die Nährstoffe, die die Algen zuvor zum Wachsen verwendet haben. Die Nährstoffe und die wässrigen Bestandteile können eine Nährflüssigkeit bilden.
Als „Konzentrat” ist die aufkonzentrierte Algensuspension bis hin zum reinen Trockensubstanzanteil der Algensuspension zu verstehen. Das Konzentrat kann auch noch Nährflüssigkeit aufweisen.
Als „Membranfilter” kommen insbesondere Filter zum Einsatz, bei denen der Stofftransport entweder über ein Lösungsdiffusionsmodell oder über ein hydrodynamisches Modell erfolgt, wobei beide Modelle auch parallel auftreten können. Beim Lösungsdiffusionsmodell erfolgt der Transport im Wesentlichen durch die Diffusion, wobei die zu transportierenden Komponente in der Membran gelöst sind. Beim bevorzugt verwendeten hydrodynamischen Modell erfolgt der Stofftransport rein konvektiv.
In einer Ausprägungsform der Erfindung kann das Membranfilter eine permeable Membran aufweisen. Dabei kann das Filtrat durch die permeable Membran hindurch gelangen und sich so separieren, wobei das Konzentrat die Membran nicht überwindet.
Da insbesondere Mikroalgen bis zu einem Mikrometer Größe verwendet werden, kann das Membranfilter eine Hohlfasermembran aufweisen, um Kapillarkräfte auszunutzen.
In einer weiteren Ausprägungsform des Verfahrens kann die Hohlfasermembran perforierte Glasfaserhohlstäbe aufweisen. Dadurch kann vorteilhafter Weise ein Anhaften der Algen an das Filter reduziert werden.
Damit die Algen nicht in die Glasfaserhohlstäbe eindringen, können die perforierten Glasfaserhohlstäbe eine Porenweite von ca. 0,05 μm aufweisen.
In einer weiteren Ausprägungsform des Verfahrens kann die Aufkonzentration der Algensuspension bis zu einer Dichte zwischen 50 g Trockensubstanz pro Liter (g TS/l) und 400 g Trockensubstanz pro Liter, insbesondere zwischen 100 g Trockensubstanz pro Liter und 250 g Trockensubstanz pro Liter erfolgen. Dadurch kann bereits ein großer Teil des Filtrats aus der Nährflüssigkeit der Algensuspension entnommen werden.
Um den Ernteprozess für die hochkonzentrierten Algensuspensionen zu beschleunigen kann diese aufkonzentrierte Algensuspension zentrifugiert werden, sodass ein zweites Filtrat aus einer Nährflüssigkeit und ein zweites Nährflüssigkeitskonzentrat aus einer Algensuspension vorliegt. Somit liegt dann eine Biomasse aus den Algen zur weiteren Verarbeitung vor.
In einer weiteren Ausführung des Verfahrens kann die Aufkonzentration bis zu einer Dichte zwischen 5 g Trockensubstanz pro Liter und 50 g Trockensubstanz pro Liter erfolgen. Dadurch kann die Größe und/oder die Anzahl der Membranfilter für die Erntemenge an Algen pro Zeit reduziert werden.
Wie sich durch die Versuche des Erfinders herausgestellt hat, ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn die Aufkonzentration bis zu einer Dichte zwischen 10 g Trockensubstanz pro Liter und 20 g Trockensubstanz pro Liter erfolgt.
Um den Einsatz der Nährflüssigkeit zu reduzieren oder um die Umweltverträglichkeit zu erhöhen, kann das erste oder das zweite Filtrat aus der Nährflüssigkeit wiederverwendet werden.
Um eine Eindickung der Algensuspension, zu erreichen, kann dem ersten Konzentrat aus Algensuspension ein Flockungsmittel zum Eindicken des Konzentrats der Algensuspension zugeführt Werden.
Zunächst sei der Begriff „Flockung” erläutert. Durch die Flockung können feinste suspendierte und kollodial gelößte, störende Wasserinhaltsstoffe wie Plankton, Eisenschlamm oder vorliegend Algen aus dem Wasser entfernt werden. Die Grenze zwischen suspendierten und kollodial gelößten Teilchen liegt bei ca. 0,45 Mikrometer. Wenn die Dichte der feinen Teilchen dem des Wassers entspricht, dann können sich diese in einer Schwebe halten und nicht sedimentieren.
Ein weitere Störung der Sedimentation ist durch die gegenseitige Abstoßung der einzelenen Teilchen untereinander gegeben. Diese Teilchen sind häufig negativ geladen und stoßen sich dabei gegenseitig ab und verhindern eine gegenseitige Zusammenballung. Dies kann ebenfalls die Sedimentation verhindern.
Bei der Flockung werden diese kleinen Teilchen zu größeren Flocken sogenannte Makroflocken zusammengeballt, sodass diese dann eine größere Dichte erhalten, wodurch dann ein Sedimentieren erfolgen kann.
Über ein Flockungsmittel können die feinen Teile entstabilisiert werden, damit sie sich nicht mehr gegenseitig abstoßen. Solche Flockungsmittel können Aluminium- oder Eisen-III-salze sein. Nach der Entstabilisierung können sich die feinen Teilchen zusammenballen, dieser Teil wird auch Koagulation gennant. Gleichzeitig werden aber auch Flocken gebildet, in denen die bereits koagulierten Flocken eingebunden werden, und dadurch abscheidefähig gemacht werden. Diesen Teil nennt man Flocculation. Eine Flockung kann demnach Koagulation und Flocculation umfassen.
Auch kann der pH Wert für Flockung angepasst werden. Wenn Eisensalze verwendet werden, kann der pH Wert beispielsweise zwischen 5,5–7,5 liegen. Bei Aluminiumsalzen ist insbesondere ein pH Wert zwischen 5,5–7,2 bevorzugt. Vorliegend können insbesondere auch organische Flockungsmittel wie Chitosan oder Polyacrylate eingesetzt werden.
Weitere Vorgehensweisen und Anwendungen der Flockung können den Schriften Mutschmann, Stimmelmayr/Taschenbuch der Wasserversorgung/Frackh-Verlag und Damrath- Cord- Landwehr/Wasserversorgung/B. G. Teubner Verlag entnommen werden, deren Inhalt in Bezug auf die Flockung Bestandteil dieser Schrift sind.
Um die Biomasse aus Algen weiter verarbeiten zu können, kann nach dem zuvor beschriebenen Schritte ein Sieben mittels eines Siebes oder eines feinporigen Gewebes, insbesondere eines Gazes erfolgen, sodass ein drittes Filtrat aus einer Nährflüssigkeit und ein drittes Konzentrat aus einer Algensuspension vorliegt.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung des Verfahrens kann das zuvor beschriebene dritte Filtrat wiederverwendet und der Algensuspension zugeführt werden.
In einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch das erste Algensuspensionskonzentrat, welches nach einer Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens vorliegt.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch das erste Nährflüssigkeitsfiltrat, welches nach einer Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens vorliegt.
In einem fünften Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch das zweite Algensuspensionskonzentrat, welches nach einer Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens vorliegt.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch das zweite Nährflüssigkeitsfiltrat, welches nach einer Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens vorliegt.
In einem sechsten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch das dritte Algensuspensionskonzentrat, welches nach einer Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens vorliegt.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch das dritte Nährflüssigkeitsfiltrat, welches nach einer Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahren vorliegt.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Dabei stellt
1 den Ablauf des erfinderischen Verfahrens mit zugehörigen Schritten dar.
An einem Anfang 1 liegt eine Mikroalgensuspension in einem Photobioreaktor in einer Konzentration von 1 bis 2 g Trockensubstanz pro Liter oder in einem Algenpond mit einer Mikroalgensuspension in einer Konzentration zwischen ca. 0,2 bis 0,5 g Trockensubstanz pro Liter vor.
Diese Mikroalgensuspension wird mittels eines Membranfilters auf eine Konzentration zwischen 10 g Trockensubstanz pro Liter bis 20 g Trockensubstanz pro Liter aufkonzentriert 2. Dabei kommt das Membranfilter des Typs PURON^TM der Firma Kochmembran Systems (KMS) aus Aachen zum Einsatz. Dieses PURON^TM Membranfilter besteht aus perforierten Fieberglashohlstäben mit einer Porenweite von 0,05 μm. Dabei werden die Mikroalgen zurückgehalten und das Wasser mit Salzen und Nährstoffen wird durch das Membranfilter durchlässig geführt. Nach dem Aufkonzentrieren 2 liegt ein erstes Filtrat F1 aus Wasser, Salzen und Nährstoffen und ein erstes Konzentrat K1 aus einer aufkonzentrierten Mikroalgensuspension vor.
Das erste Filtrat F1 wird dem Photobioreaktor oder dem Algenpond als wiederverwendetes Filtrat R1 zurückgeführt. Dies ist in 1 als Schritt 6 gekennzeichnet.
Das erste Konzentrat K1 kann entweder zentrifugiert werden (nicht dargestellt).
Nach dem Zentrifugieren liegt ein zweites Filtrat aus Wasser, Salzen und Nährstoffen und ein zweites Konzentrat aus einer aufkonzentrierten Mikroalgensuspension vor. Je nach Intensität des Zetrifugierens ist das zweite Konzentrat frei von Wasser, Salzen oder Nährstoffen.
Das erste Konzentrat K1 kann mit einem Flockungsmittel eingedickt 3 werden.
Beim Eindicken kommt als Flockungsmittel vorzugsweise das Flockungsmittel der Marke NICASAL der Firma Sachtleben Wasserchemie GmbH zum Einsatz.
Die eingedickten Algen werden mittels eines Gazes gesiebt, was mit Schritt 4 gekennzeichnet ist. Ein solches Gaze ist insbesondere ein feinporiges Gewebe. Nach dem Sieben 4 liegt ein drittes Filtrat F3 vor. Dieses dritte Filtrat umfasst Wasser, mit gelösten Salzen oder Nährstoffen und wird als Nährflüssigkeit R3 an den Photobioreaktor 1 oder dem Algenpond 1 zurückgeführt 7.
Die abschließend vorliegende Algenbiomasse 5 hat einen Trockensubstanzanteil zwischen 10% und 30%. Diese Algenbiomasse kann dann für die Herstellung von Dieselkraftstoff, Kosmetika, Tiernahrungsmittel, Nahrungsergänzungsmittel etc. eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zum Ernten von Algen aus einer Algensuspension, insbesondere aus einer Mikroalgensuspension, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufkonzentration der Algensuspension mittels eines-Membranfilters erfolgt, sodass ein erstes Filtrat aus einer Nährflüssigkeit und ein erstes Konzentrat aus einer Algensuspension vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranfilter eine permeable Membran aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranfilter eine Hohlfasermembran aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasermembran perforierte Glasfaserhohlstäbe aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die perforierten Glasfaserhohlstäbe eine Porenweite von circa 0,05 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufkonzentration der Algensuspension bis zu einer Dichte zwischen 50 g Trockensubstanz pro Liter und 400 g Trockensubstanz pro Liter, insbesondere zwischen 100 g Trockensubstanz pro Liter und 250 g Trockensubstanz pro Liter, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aufkonzentrierte Algensuspension zentrifugiert wird, sodass ein zweites Filtrat aus einer Nährflüssigkeit und ein zweites Konzentrat aus einer Algensuspension vorliegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufkonzentration bis zu einer Dichte zwischen 5 g Trockensubstanz pro Liter und 50 g Trockensubstanz pro Liter erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufkonzentration bis zu einer Dichte zwischen 10 g Trockensubstanz pro Liter und 20 g Trockensubstanz pro Liter erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste oder das zweite Filtrat aus der Nährflüssigkeit wiederverwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6, 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Konzentrat aus der Algensuspension ein Flockungsmittel zum Eindecken des Konzentrats der Algensuspension zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem zuvor beschriebenen Schritten ein Sieben mittels eines Siebes oder eines feinporigen Gewebes, insbesondere eines Gazes, erfolgt, sodass ein drittes Filtrat aus einer Nährflüssigkeit und ein drittes Konzentrat aus einer Algensuspension vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Filtrat aus der Nährflüssigkeit wiederverwendet und der Algensuspension zugeführt wird.
Erstes Algensuspensionskonzentrat, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Algensuspensionskonzentrat nach einer Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 vorliegt.
Erstes Nährflüssigkeitsfiltrat, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Nährflüssigkeitsfiltrat nach einem Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 vorliegt.
Zweites Algensuspensionskonzentrat, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Algensuspensionskonzentrat nach einem Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 7 vorliegt.
Zweites Nährflüssigkeitsfiltrat, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Nährflüssigkeitsfiltrat nach einem Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 7 vorliegt.
Drittes Algensuspensionskonzentrat, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Algensuspensionskonzentrat nach einem Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 12 vorliegt.
Drittes Nährflüssigkeitsfiltrat, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Nährflüssigkeitsfiltrat nach einem Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 12 vorliegt.