Anaerobic fermentation merging the carboxylate and syngas platforms : Harnessing the potential of mixotrophic communities
Creators: name: Baleeiro, Flávio C. F.
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022

description: Bioraffinerien zur Produktion von Plattformchemikalien und Kraftstoffen aus organischen Reststoffen oder Abfällen und Synthesegas (Syngas, d. h. Gemische aus H$_{2}$, CO$_{2}$ und CO) können den Übergang zu einer neuen biobasierten Kreislaufwirtschaft befördern. Unter den vielen infrage kommenden Technologien sind die mikrobielle Kettenverlängerung von Carboxylaten (chain elongation; CE) und die Synthesegasfermentation (SF) zwei vielversprechende Bioprozesse, bei denen anaerobe Bakterien zum Einsatz kommen. Sowohl bei der CE als auch bei der SF müssen jeweils eigene Herausforderungen bewältigt werden, um effiziente und wirtschaftliche Verfahren zu entwickeln. Organische Rest- und Abfallstoffe können durch CE in hochwertige mittelkettige Carboxylate (medium-chain carboxylates; MCCs) umgewandelt werden, wobei mikrobielle Gemeinschaften als Biokatalysatoren eingesetzt werden. Die Ausbeuten und Produktkonzentrationen sind dabei jedoch stark vom Vorhandensein und der Bioverfügbarkeit von Elektronendonoren (ED) im Rohstoff begrenzt. Dank des Wood-Ljungdahl-Wegs (Wood-Ljungdahl pathway; WLP), der in bestimmten Bakterien vorhanden ist, können aber auch H$_{2}$ und CO aus Synthesegas als Quellen für ED herangezogen werden. Für SF gibt es bereits erste kommerzielle Anlagen, die mit CO-reichem Abgas aus Stahlwerken unter Verwendung von Reinkulturen arbeiten, aber ihr Produktspektrum ist auf Grundstoffe wie Acetat und Ethanol beschränkt. Diese Arbeit hat das Ziel, die CE- und SF-Technologien zusammenzuführen, Fermentationen der Carboxylat- und Synthesegasplattformen zu analysieren und deren Durchführbarkeit zu verbessern. Dafür wurde eine Ein-Topf-Prozessstrategie mit anaeroben mikrobiellen Gemeinschaften in den Fokus gestellt, verschiedene Betriebsbedingungen untersucht und chemische Bilanzierungen der Bioreaktoren vorgenommen. Parallel dazu wurde die Entwicklung der mikrobiellen Gemeinschaften analysiert, um mikrobielle Interaktionen, die eine simultane Verwertung von Syngas und organischen Substraten zur Carboxylatproduktion ermöglichen, aufzuklären. Die ersten Sondierungsstudien wurden mit Batch-Systemen durchgeführt. Sie bestätigten, dass mit H$_{2}$/CO$_{2}$ allein nur geringe MCC-Konzentrationen erhalten werden können (bis zu 1,2 g L$^{-1}$ $n$-Caproat) und dass die gleichzeitige Zufuhr eines organischen ED (Ethanol, Laktat oder Zucker aus pflanzlicher Biomasse) notwendig ist, um extrahierbare MCC-Konzentrationen zu erzielen. Die Zugabe von H$_{2}$ im Überschuss hatte einen positiven – wenn auch geringen – Einfluss auf die MCC-Produktion und begünstigte die Anreicherung von Bakterien der Gattungen $Clostridium$ sensu stricto 12, $Eubacterium$, $Megasphaera$ und $Caproiciproducens$. Demgegenüber beeinflusste CO die Entwicklung der Mischkultur stark und hatte eine differenzierte Wirkung auf die Produktbildung, indem es die Gesamtcarboxylatproduktion erhöhte, aber die Selektivität für die verlängerten Carboxylate verringerte. Eine Inokulation mit einer sehr diversen mikrobiellen Gemeinschaft war notwendig, um eine Mischkultur anzureichern, die in der Lage war, Syngas für eine verbesserte MCC-Produktion zu nutzen. Jedoch enthielten solche Inokula auch hydrogenotrophe Methanbildner wie $Methanobacterium$ und $Methanobrevibacter$, die mit 2-Bromethansulfonat (2-BES), Ethylen oder CO gehemmt werden mussten, um eine Umleitung von Elektronen aus dem Substrat in Richtung Methanbildung zu vermeiden. Unter Berücksichtigung der Erfahrungen mit geschlossenen Batch-Systemen wurde ein Reaktor mit Gasrückführung entwickelt, der kontinuierlich betrieben werden kann. Bei den ersten beiden Prototypen handelte es sich um Rührkesselreaktoren (stirred-tank reactors; STRs), die für 84 Tage mit einem organischen Modellsubstrat (Laktat/Acetat) und H$_{2}$/CO$_{2}$-Rezirkulation betrieben wurden. Das Gasrezirkulationssystem sorgte für eine konstant hohe Verfügbarkeit der gasförmigen Substrate und wurde damit zu einem Schlüsselelement für die Anreicherung mixotropher Gemeinschaften. Durch die Verwendung von Ethylen als skalierbarem Methanogenese-Inhibitor wurden die Elektronenselektivität zu $n$-Caproat (von 2,3 % auf 17 %), die Kohlenstofffixierung (bis zu 0,20 g CO$_{2}$ L$^{-1}$ d$^{-1}$) und die Abundanzen acetogener Bakterien ($Clostridium$ sensu stricto 12, $Eubacterium$ und $Colidextribacter$) aufgrund des höheren H$_{2}$/CO$_{2}$-Partialdrucks erhöht. Das Gasrezirkulationskonzept wurde weiter angepasst und getestet: zwei STRs wurden für weitere 139 Tage und zwei Blasensäulenreaktoren (bubble column reactors; BCRs) für 116 Tage betrieben. Im Langzeitbetrieb zeigten sich zwei Haupthindernisse für die mixotrophe MCC-Produktion, nämlich die Kontamination mit Luft und das Auftreten von ethylentoleranten Methanogenen. Im Vergleich zu den anoxischen Reaktoren produzierten die Reaktoren mit Lufteintragsraten zwischen 97 ± 28 und 474 ± 33 ml O$_{2}$ L$^{-1}$ d$^{-1}$ mehr Propionat auf Kosten von $n$-Caproat und wiesen höhere Abundanzen von Actinobakterien auf, die die Clostridien überwuchsen. Die Aktivität von ethylentoleranten $Methanobrevibacter$ war etwa 33 % kleiner als von Methanobrevibacter, die in Abwesenheit von Ethylen angereichert wurden. Dennoch war die Aktivität der ethylentoleranten Methanogenen hoch genug, um Acetogene zu verdrängen. Schließlich wurde in zwei STRs, die 292 Tage lang mit einer Rezirkulation von H$_{2}$, CO$_{2}$, CO und Ethylen betrieben wurden, eine Langzeitwirksamkeit von CO und Ethylen bei deren gleichzeitiger Verwendung als Methanogenesehemmstoff nachgewiesen. Im Reaktor mit Syngasrezirkulation wurde eine an CO angepasste mixotrophe Gemeinschaft angereichert, die die Hälfte ihrer Substrate aus anorganischen ED (d. h. H$_{2}$ und CO) bezog. Die mixotrophe Gemeinschaft wies eine stabile Produktion von $n$-Butyrat (bis zu 5 g L$^{-1}$) und $n$-Caproat (bis zu 4,3 g L$^{-1}$) als Hauptprodukte auf, während sie bis zu 1,4 g CO$_{2}$-Äquivalente L$^{-1}$ d$^{-1}$ in Carboxylate umwandelte. Im Vergleich zu einer rein heterotrophen Gemeinschaft, die Acetat und Laktat verbraucht, produzierte die mixotrophe Gemeinschaft 50 % mehr Carboxylate mit größerer Kettenlänge als Acetat (in Bezug auf Elektronenäquivalente). Die in diesen Gemeinschaften am häufigsten vorkommenden Bakterien und deren wahrscheinliche Funktionen im Stoffwechsel wurden identifiziert. Bakterien, die eng mit $Clostridium$ $luticellarii$ und $Eubacterium$ $aggregans$ verwandt sind, spielten eine Schlüsselrolle im Zusammenhang mit dem mixotrophen CE-Stoffwechsel. Die Entwicklung von Prozessen zur Produktion mittelkettiger Carboxylate mit Hilfe von mixotrophen Gemeinschaften kann den Übergang von unserer derzeitigen auf fossilen Rohstoffen basierenden Wirtschaft zur Bioökonomie unterstützen. Für die Carboxylat-Plattform kann das in dieser Arbeit entwickelte Konzept die MCC-Ausbeuten aus organischen Rohstoffen erhöhen und gleichzeitig die anaerobe Fermentation in einen Prozess mit Netto-Kohlenstoff-fixierung umwandeln. Für die Synthesegas-Plattform bedeutet die Produktion von MCCs die Verwertung von H$_{2}$, CO$_{2}$ und CO zur Gewinnung von Substanzen, die hochwertiger sind als Acetat und Ethanol. In dieser Arbeit werden die wichtigsten Betriebsparameter für syngasgestützte Fermentationen identifiziert, potenzielle Verbesserungsmöglichkeiten bei der Carboxylatproduktion quantifiziert, eine langfristige Prozessstabilität nachgewiesen und die Struktur der mixotrophen Gemeinschaft als Basis solcher Fermentationen aufgeklärt. Damit dient die Arbeit als Grundlage für künftige Scale-up-Projekte, die eine kommerzielle Umsetzung der syngasgestützten anaeroben Fermentation anstreben.