Advancing towards biomass-derived syngas fermentation - Evaluation of process parameters and gas composition effects
Creators: name: Infantes-López, Alba
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: acetogenesis
Clostridium ljungdahlii
syngas fermentation
acetate
ethanol
biomass-derived syngas

description: Die Notwendigkeit des Übergangs von einer erdölbasierten Wirtschaft hin zu einer biobasierten Wirtschaft wird immer deutlicher. Das Beibehalten fossiler Rohstoffe als Hauptquelle für Chemikalien und Treibstoffe wird die Lösung von Problemen, wie dem menschengemachten Klimawandel, immer schwieriger gestalten. Um eine langfristige, umweltfreundliche Entwicklung zu gewährleisten, müssen erneuerbare Energie- und Biomassequellen im Mittelpunkt der Forschung stehen. Biomasse aus Müll oder nachwachsende Ressourcen kann zu Synthesegas vergast werden, welches sich hauptsächlich aus H2, CO2 und CO zusammensetzt. Ebenfalls entstehende Verunreinigungen sind abhängig von der verwendeten Vergasungstechnik und der eingesetzten Biomasse. Synthesegas und andere CO-reiche Gase können auch als Nebenprodukt in der Industrie, wie zum Beispiel bei Stahlwerken, anfallen. Eine hochspezialisierte Gruppe von anaeroben, autotrophen Bakterien, bekannt als Acetogene, kann die beschriebenen Gase als Substrat für Fermentationen verwenden. In ihnen wird Synthesegas im Verlauf des reduktiven Acetyl-CoA Wegs, auch als Wood-Ljundahl Weg bekannt, metabolisiert. Als gut erforschter und charakterisierter Modell-Acetogener wurde Clostridium ljungdahli für die vorliegende Arbeit als Organismus ausgewählt. Clostridium ljungdahli fixiert den im Substrat enthaltene Kohlenstoff in Form von Acetat und Ethanol. Mit anderen Organismen können jedoch auch andere Produkte wie Butyrate und 2,3-Butadiol erhalten werden. Diese wiederum dienen als Grundchemikalien in aktuellen Wertschöpfungsketten. Damit verwandelt die Fermentation industrieller Abgase wertlose Nebenprodukte in wertvolle Substrate und hilft die Menge des in die Atmosphäre abgegebenen CO2 zu reduzieren. Die Vergasung von Biomasse in Kopplung mit einer Synthesegasfermentation bietet eine Möglichkeit die aktuelle „Teller versus Tank“ Debatte zu bewältigen, da Lignin enthaltende Abfälle Verwendung finden und selbst Lignozellulose umgewandelt werden kann. Gegenüber der seit Jahrzehnten erprobten Verwendung von Synthesegas in chemischen Prozessen, wie der Fischer-Tropsch Synthese (FT), sind Bakterien viel toleranter gegenüber Unreinheiten des Substrates. Ebenso findet die Umwandlung, verglichen mit den hohen Drücken (300 bar) und Temperaturen (350 °C) des FT Prozesses, bei milderen Bedingungen statt und kann damit energieeffizienter sein. Für den Erfolg der Synthesegasfermentation als weit verbreitete Technologie, muss sie optimiert und ihre ökonomischen und bioenergetischen Begrenzungen evaluiert werden. An erster Stelle wird ein tiefes Verständnis für die den Fermentationsausgang bestimmenden Parameter benötigt. Faktoren, die die Produktivität und die Produktverhältnisse beeinflussen können, sind die Verfügbarkeit des Substrates, welche durch den Gasfluss beeinflusst wird, die Verfügbarkeit von Nährstoffen im Medium, der pH-Wert und die Temperatur. Diese Parameter wurden in der vorliegenden Arbeit in einem Rührkessel-Tisch-Reaktor Fed-batch Prozess getestet. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf dem Erhöhen der Konzentrationen von Hefeextrakt und Cystein im Medium, dem Absenken des pH-Wertes und einer Kombination von gesenktem pH-Wert und reduzierter Gaszufuhr. Die Ergebnisse sind in Kapitel 4.1. nachzulesen. Es stellte sich heraus, dass nach dem Erreichen des maximalen Substratverbrauchs die Kultur unweigerlich kollabierte. Hierbei kam zunächst der H2-Verbrauch gefolgt vom CO-Verbrauch zum Erliegen. Das Kollabieren konnte auch durch eine erhöhte Gabe von Hefeextrakt oder Cystein weder verhindert noch verzögert werden, womit ein Mangel an Nährstoffen als Grund ausgeschlossen werden kann. Das Absenken des pH-Wertes verringerte das molare Verhältnis von Acetat zu Ethanol während der Phase des maximalen Gasverbrauches der Kultur. Auf den Verlauf der gesamten Fermentation bezogen war dies jedoch nicht der Fall, da der niedrigere pH-Wert ebenfalls zu einer geringeren Biomasseproduktion und damit zu geringerer Produktivität und geringeren Produkttitern führte. Die Kombination von gesenktem pH-Wert und geringerem Gasfluss führte zu dem höchsten Verhältnis von Ethanol zu Acetat mit 0,25 Mol Ethanol pro Mol Acetat, nahezu dem Doppelten in Bezug auf die Kontrolle, jedoch auch zur geringsten Produktivität mit 0,12 g/L∙h. Das benutzte Fermentationssystem erwies sich als wertvolles Werkzeug für Screening-Anwendungen, da es nicht nur in der Lage war Änderungen in der Produktbildung, sondern auch Variationen im Gasverbrauch nachzuweisen. Der nächste Schritt für eine Kopplung von Biomassevergasung und Synthesegasfermentation ist die Bestimmung der Toleranz der verwendeten Mikroorganismen gegenüber Unreinheiten des Synthesegases, um das Ausmaß an benötigten Reinigungsschritten abzuschätzen und dadurch exzessive Kosten zu vermeiden. Hierbei muss auch die Kombination von verschiedenen Synthesegasen und ihren Unreinheiten in Betracht gezogen werden. Trotz Bekanntheit dieser Fakten legen viele Studien ihren Fokus auf reines Synthesegas ohne Unreinheiten, oder einem einzelnen inhibierenden Stoff. Mit dem oben vorgestellten Fermentationssystem als Screening-Methode wurden hier verschiedene, aus Biomasse gewonnene Synthesegase, getestet. Dies ist in den Kapiteln 4.2 und 4.3 dieser Arbeit dargestellt. In Kooperation mit Prof. Dr. Nicolaus Dahmen wurde Synthesegas aus der Bioliq-Anlage des KIT in Karlsruhe mit zwei unterschiedlichen Gasflüssen fermentiert. Im Rahmen von Ambition, eines Horizon2020 Projektes, und in Kooperation mit der TNO Energy Transition, Biomass &amp; Energy Efficiency Unit, in Petten in den Niederlanden, wurden zwei weitere Synthesegase aus Buchenholz und Lignin getestet. Als Vergleich zu den aus Biomasse stammenden Synthesegasen, wurden Synthesegase derselben Gaszusammensetzung ohne Unreinheiten verwendet. Zusätzlich wurden vier weitere reine Synthesegaszusammensetzungen evaluiert. Zwei von diesen stammten von der Vergasungsanlage von ENEA (Italian National Agency for New Technologies, Energy and Sustainable Economic Development) im Forschungszentrum von Trisaia in Italien und von der Vergasungsanlage von LNEG (National Laboratory of Energy and Geology) in Amadora, Portugal. Alle beschriebenen Synthesegase wurden in Fermentationen im Hinblick auf Biomassewachstum, Produktbildung und Gasverbrauch untersucht. Der direkte Vergleich der aus Biomasse stammenden und der kommerziellen, Unreinheit freien Synthesegasen offenbarte komplexe synergistischen Effekte. Bei gleicher Gaszusammensetzung ließen sich die reinen Synthesegase nicht mit den aus Biomasse stammenden vergleichen, da die Unreinheiten einen größeren Einfluss auf die Fermentation hatten, als die Gaszusammensetzung. Bei Anwesenheit von Unreinheiten sanken immer sowohl die Produktivität, als auch das Acetat zu Ethanol Verhältnis — ein Zeichen für einen Wechsel zu einer höheren Ethanol Produktion. Keines der aus Biomasse gewonnenen Synthesegase inhibierte das Wachstum der Mikroorganismen, obwohl eine etwas geringere Gesamtbiomasse im Vergleich zu den Unreinheiten-freien Synthesegasen während der Fermentation erzielt wurde. Das verwendete STR Fermentationssystem erwies sich erneut als zuverlässiges Screeningwerkzeug, für eine erste Evaluation von aus Biomasse erzeugten Synthesegasen. Ein allgemeiner Überblick aller Fermentationen inklusive Substratverbrauch- und Fixierungsraten, sowie ein Vergleich der theoretisch berechneten maximalen und der tatsächlich produzierten Acetatmenge ist in Kapitel 4.4 dargestellt. Ein weiteres Problem der Fermentation von Synthesegas sind die Limitierungen, die durch die geringe mögliche Biomassekonzentration und die geringe Produktivität entstehen. Aufgrund der gasförmigen Natur des Substrates ist dessen Bereitstellung durch den Gas-Flüssig-Massetransfer des schlecht löslichen CO und H2 begrenzt. Bei einer STR Konfiguration wird die, für eine Erhöhung des Gas-Flüssig-Massetransfers benötigte, volumenbezogener Leistungseintrag für industrielle Anwendungen als zu hoch angesehen, weshalb andere Konfigurationen wie Blasensäulenreaktoren oder Gas-Hub-Reaktoren bevorzugt werden. Der aufgrund der Höhe dieser Systeme im industriellen Maßstab entstehende hydrostatische Druck erhöht hierbei die Löslichkeit der genannten Gase. In Kapitel 4.5 dieser Arbeit wurde der Effekt von gesteigertem Druck von Synthesegas, CO2/H2 und reinem CO auf C. ljungdahlii in einem Batch-System getestet. Des Weiteren wurden Änderungen in der relativen Genexpression der Kulturen mit CO2/H2 via qPCR analysiert, um die Auswirkung des erhöhten Druckes auf die transkriptionelle Regulierung der Zellen zu untersuchen. Das Kultivierungssystem wurde durch Testen verschiedener Reaktionsgefäße, Stahlflaschen und Glasrohre mit einem Manometer, an die hohen Drücke angepasst. In diesem System konnten Drücke bis 5 bar (absolut) getestet werden. Steigender Synthesegasdruck erzielte höhere Biomassekonzentrationen, wobei bei über 1 bar absoluter Druck eine Lag-Phase zu beobachten war. Gegen Ende der Fermentation nahm die Biomassekonzentration wieder ab, sodass am Ende in allen Fällen eine ähnliche Konzentration erreicht wurde. Die Acetatkonzentration stieg von 11 g/L bei 1 bar um 1 g/L bei 1,5 und 2,5 bar und um 2 g/L bei 2 bar. Der Ethanolgehalt viel gegensätzlich von 2,6 g/L bei 1 bar auf 0,9-1,1 g/L bei erhöhten Drücken. Bei der Fermentation von CO2/H2 wuchs die Kultur bei 5 bar nicht und die Acetat-Produktion war um 54 % gegenüber von 1 bar reduziert. Auf CO wuchs die Kultur sowohl bei 1 bar wie auch bei 5 bar nicht und die Acetatproduktion betrug im Verhältnis geringe 2,6 g/L. Um den Einfluss von Druck auf die Genexpression von C. ljungdahlii zu bestimmen, wurde die relative Expression der CO2/H2 Kulturen mit qPCR verglichen. In Bezug auf die Genexpression konnten keine signifikanten Unterschiede beobachtet werden, damit kann bei den getesteten Druckverhältnissen von einer dem atmosphärischen Druck äquivalenten Genexpression ausgegangen werden. Abschließend spielt auch die anaerobe Natur von C. ljungdahlii eine Rolle. Eine Kontamination des Synthesegases mit Sauerstoff hat eine hemmende Wirkung auf den Organismus und damit einen negativen Einfluss auf den Prozess. In Kapitel 4.6 und in einem gemeinsamen Projekt mit Dr. Teresa Mohr konnte eine Zwei-Schritt Kultur zur acetogenen Fermentation von Sauerstoff enthaltenden Abgasen entwickelt werden. Im ersten Schritt verbrauchte der fakultativ anaerobe thermophile Parageobacillus thermoglucosidasius den Sauerstoff einer Mischung von 50 % Luft/50 % CO, wobei H2 und CO2 mit einem Rest N2 übrigblieben. Hierauf erfolgte die Inokulation von C. ljungdahlii wodurch 0,52 mmol Acetat produziert werden konnten. Dies entspricht, auf die Menge des zu Beginn des Prozesses vorhandenen CO, 63 % des theoretischen Maximums. Insgesamt wurden in der vorliegenden Arbeit folgende Themen untersucht: · Evaluierung eines Fed-Batch Systems zum Studium des Einflusses von Medien und Prozessparametern auf die Synthesegasfermentation. · Auswirkung von verschiedenen Unreinheiten aus Biomasse stammender Synthesegase und verschiedener Gaszusammensetzungen auf Wachstum und Produktbildung von C. ljungdahlii. · Auswirkung von erhöhtem Substratdruck auf Batch-Kulturen von C. ljungdahlii und deren Genexpression. · Etablierung einer Zwei-Schritte Kultur zur acetogenen Fermentation mit Sauerstoffentfernung.