Simulation und Anwendung bioverfahrenstechnischer Kaskadenprozesse zur Behandlung von Abfallströmen
Creators: name: Jürgensen, Nikolai
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2024
Subjects: classificationCode: 6
subject: Technology::660: Chemistry; Chemical Engineering::660.6: Biotechnology

description: Die Nutzung fossiler Rohstoffe entspricht keiner nachhaltigen Wirtschaftsweise, weshalb vorhandene Ressourcen effizienter genutzt werden müssen und alternative Energiequellen wie Wasserstoff benötigt werden. Ein Ansatz bietet die mikrobielle Elektrolysezelle (MEZ), welche mithilfe von exoelektrogenen Mikroorganismen biologische Abfallströme in elektrische Energie umwandelt und damit die Erzeugung von Wasserstoff ermöglicht. Diese Arbeit behandelt die energetische und stoffliche Nutzung von biobasierten Abfällen wie Rübensilage und Urin anhand von zwei verschiedenen Prozessausführungen. Es wurde die Verwendung einer MEZ mit einer definierten Co-Kultur aus Shewanella oneidensis und Geobacter sulfurreducens in Kombination mit den biologischen Abbauprozessen einer Biogasanlage für eine flexible Biogas- und Wasserstofferzeugung in einem Prozessmodell untersucht. Weiterhin wurde ein Prozessmodell entwickelt, welches die stoffliche Nutzung von Wasserstoff und Kohlendioxid durch mikrobielle Organismen zu Plattformchemikalien zeigt. Zusätzlich wurde untersucht, ob Urin als Substratquelle in einer MEZ mit einer definierten Co-Kultur verwendet werden kann. Die Aktivität der exoelektrogenen Co-Kultur wurde bei verschiedenen Anodenpotentialen experimentell untersucht. Dadurch war es möglich, eine Elektrodenregelung bei variierendem Anodenpotential zu erarbeiten, um den Elektronenfluss in einer MEZ zu kontrollieren. Zur Beschreibung des anaeroben Abbauprozesses auf Basis von Rübensilage wurde das massenbasierte ADM1 als Prozessmodell genutzt, mit dem das erzeugte Biogas und die produzierten organischen Säuren simuliert werden konnten. Durch die Integration der MEZ in den Biogasprozess konnte in einem Prozessmodell aufgrund der Elektrodenregelung eine Steuerung der Biogas- und Wasserstoffproduktion demonstriert werden. Weiterhin wurde in einem autotrophen Prozessmodell die Nutzung der produzierten Gase gezeigt, welche in Acetoin sowie 2,3-Butandiol umgewandelt werden konnten. Zusätzlich wurde das planktonische Wachstum von S. oneidensis und G. sulfurreducens in sterilem Urin untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass ein Wachstum in Urin unter Zugabe eines geeigneten Elektronendonors und Elektronenakzeptors möglich ist. Im Anschluss wurde die Verwendung von Urin in zwei MEZ-Designs untersucht und die Anodengemeinschaft analysiert. In sterilem Urin wurde eine geringere Stromdichte als im synthetischen Medium gemessen. Dagegen konnte die Stromdichte in einem Durchflusssystem gesteigert werden. Die Analyse der Anodengemeinschaft zeigte, dass G. sulfurreducens langfristig als dominante Spezies auftrat und für die Ausbildung eines leitfähigen Biofilms wichtig ist, weshalb eine exoelektrogene Co-Kultur vor dem Einsatz mit Urin oder eines Abfallstromes in synthetischem Medium angezogen werden sollte.
description: The use of fossil raw materials does not correspond to a sustainable economy, which is why existing resources must be utilised more efficiently and alternative energy sources such as hydrogen are needed. One approach is the microbial electrolysis cell (MEC), which uses exoelectrogenic microorganisms to convert biological waste streams into electrical energy, thus enabling the production of hydrogen. This work deals with the energetic and substantial utilisation of biobased waste such as beet silage and urine using two different process designs. The use of a MEC with a defined co-culture of Shewanella oneidensis and Geobacter sulfurreducens in combination with the biological degradation processes of a biogas plant for flexible biogas and hydrogen production was investigated in a process model. Furthermore, a process model was developed that shows the substantial utilisation of hydrogen and carbon dioxide by microbial organisms to produce platform chemicals. In addition, it was investigated whether urine can be used as a substrate source in a MEC with a defined co-culture. The activity of the exoelectrogenic co-culture was investigated experimentally at different anode potentials. This made it possible to develop an electrode control at varying anode potentials in order to control the electron flow in a MEC. To describe the anaerobic degradation process based on beet silage, the mass-based ADM1 was used as a process model with which the biogas and organic acids produced could be simulated. By integrating the MEC into the biogas process, it was possible to demonstrate the control of biogas and hydrogen production in a process model based on electrode control. Furthermore, the utilisation of the gases produced, which could be converted into acetoin and 2,3-butanediol, was demonstrated in an autotrophic process model. In addition, the planktonic growth of S. oneidensis and G. sulfurreducens was analysed in sterile urine. The results showed that growth in urine is possible with the addition of a suitable electron donor and electron acceptor. Subsequently, the use of urine in two MEC designs was investigated and the anode community was analysed. A lower current density was measured in sterile urine than in the synthetic medium. In contrast, the current density could be increased in a flow-through system. Analysis of the anode community showed that G. sulfurreducens emerged as the dominant species in the long term and is important for the formation of a conductive biofilm, which is why an exoelectrogenic co-culture should be grown with urine or a waste stream in synthetic medium before use.