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Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik
Bereich II: Technische Biologie

Engler-Bunte-Ring 3
76131 Karlsruhe

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Gebäude 40.12

"Nachhaltige und effiziente Biosynthesen" - TP: Plattform zur Herstellung von Grundchemikalien auf Basis Synthesegas

"Nachhaltige und effiziente Biosynthesen" - TP: Plattform zur Herstellung von Grundchemikalien auf Basis Synthesegas
Ansprechpartner:

Dr. Anke Neumann

Förderung:

MWFK Baden-Württemberg

Starttermin:

2013

Endtermin:

2016

Am Projekt beteiligte Mitarbeiter

Synthesegasfermentation

Trotz den allgegenwärtigen Gefahren des Klimawandels und der langfristig begrenzen Verfügbarkeit fossiler Rohstoffe sind Erdöl und Erdgas nach wie vor die wichtigsten Energiequellen und fester Bestandteil der chemischen Industrie. Bis zum heutigen Tag gehen 95 % der Grundchemikalien der chemischen Industrie aus fossilen Rostoffen hervor. Um die in der Zukunft zu erwartende Verknappung fossiler Rohstoffe auszugleichen ist es zwingend notwendig eine funktionierende Bioökonomie mit umweltfreundlichen Stoffkreisläufen zu schaffen. Die anaerobe Fermentation von Synthesegas zur Gewinnung von Plattformchemikalien kann zu solch einer Bioökonomie beitragen.

Synthesegas ist in diesem Kontext eine Mischung aus hauptsächlich Kohlenstoffmonoxid (CO), Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2). Es kann mittels Vergasung, einem Verbrennungsvorgang mit unterstöchiometrischer Sauerstoffversorgung, aus Kohle oder Biomasse gewonnen werden und wird seit Anfang der 30er Jahre des letzten Jahrhunderts zur Herstellung aliphatischer Kohlenwasserstoffe eingesetzt (Fischer-Tropsch-Verfahren, Methanol-Synthese) [Fischer und Tropsch 1923, Fedtke 1992]. Die in diesem thermochemischen Katalyseverfahren eingesetzten Metall-Katalysatoren besitzen eine ausgeprägte Unverträglichkeit gegenüber schwefelhaltigen Verbindungen wie sie in unaufgereinigtem Synthesegas vorkommen. Dies macht eine aufwendige Gasreinigung notwendig [Phillips et al. 2007].

Anaerobe Mikroorganismen, sogenannte Acetogene, können diese Substanzen tolerieren und teilweise auch als Nährstoffe nutzen [Griffin und Schulz 2012, Vega et al. 1990] was den Reinigungsaufwand für das Synthesegas drastisch reduziert. Diese anaeroben Mikroorganismen können auf CO, H2 und CO2 als alleinige Kohlenstoff- und Energiequellen wachsen und kurzkettige org. Säuren und Alkohole produzieren. Dabei sind die Hauptprodukte Acetat und Ethanol wobei je nach Stamm und Kultivierungsbedingungen auch Buttersäure, Butan-2,3-diol oder Butanol als direkte Produkte des Katabolismus auftreten können [Köpke et al. 2011]. Möglich ist das diesen Organismen über einen der ältesten Stoffwechselwege zur Kohlenstofffixierung, dem Wood-Ljungdahl Stoffwechselweg, auch reduktiver Acetyl-CoA-Weg genannt [Sousa et al. 2013].

Die nachfolgende Abbildung stellt vereinfacht die im Wood-Ljungdahl-Stoffwechselweg ablaufenden Reaktionen dar
Die Abbildung stellt vereinfacht die im Wood-Ljungdahl-Stoffwechselweg ablaufenden Reaktionen dar

 

Dieser Stoffwechselweg stellt den einzig bekannten Weg zur Kohlenstoffixierung aus gasförmigen C-Quellen dar, der nicht kreisförmig läuft sondern linear [Fuchs 2011]. Die generelle Reaktionsgleichung mit Acetat als Endprodukt des Wood-Ljungdahl-Stoffwechselweges mit CO2 als C-Quelle lautet wie folgt:
 

Gleichung



Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Kultivierung acetogener Mikroorganismen auf ungereinigtem Synthesegas mit dem Ziel Plattformchemikalien zu Produzieren. Dabei sollen vor allem die Probleme mit dem Stoffübergang der gasförmigen Substrate in die Kulturbrühe, die Toleranz der Mikroorganismen gegenüber den Verunreinigungen im Syntehsegas als auch die möglichst vollständige Nutzung des Synthesegases adressiert werden. Mehrfach parallele Fermentationen im Labormaßstab können in Minifors Reaktorsystemen der Firma Infors durchgeführt werden, die mit Druckhalteventilen und Durchflusszählern in der Abgasleitung sowie einem Prozess-GC zur Abgasanalyse ausgestattet sind.

Auf solch einem Gebiet gibt es selbstverständlich immer die Gelegenheit für ein interessantes Thema für eine Abschlussarbeit. Bei Interesse wenden Sie sich direkt an Dipl.-Ing. Florian Oswald oder Dr. Anke Neumann.
 

Literatur:
Fedtke, M. et al. 1992. Technische organische Chemie. Grundstoffe, Zwischenprodukte, Finalprodukte, Polymere. Leipzig: Dt. Verl. für Grundstoffind.
Fischer, F. und Tropsch, H. 1923. Über die Synthese höherer Glieder der aliphatischen Reihe aus Kohlenoxyd. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft (A und B Serie). 56(11):2428-2443.
Fuchs, G. (2011) Alternative pathways of carbon dioxide fixation: Insights into the early evolution of life? Annu Rev Microbiol. 65:631–658.
Griffin, D.W. und Schultz, M. A. 2012. Fuel and chemical products from biomass syngas: A comparison of gas fermentation to thermochemical conversion routes. Envrion Prog Sustain Energy. 31:219-224.
Köpke, M. et al. 2011. 2,3-butanediol production by acetogenic bacteria, an alternative route to chemical synthesis, using industrial waste gas. Appl Environ Microbiol. 77:5467-5475.
Phillips, S. et al. T 2007. Thermochemical ethanol via indirect gasification and mixed alcohol synthesis of lignocellulosic biomass. Technical Report NREL/TP-510-41168. Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory.
Sousa, F. L. et al. 2013. Early bioenergetic evolution. Philosopical Transactions of The Royal Society B. 368(1622). DOI: 10.1098/rstb.2013.0088.
Vega, J.L. 1990. Sulfur gas tolerance and toxicity of CO-utilizing and methanogenic bacteria. Appl Biochem Biotechnol. 24-25:329-340.