Entwicklung einer biotechnologischen Produktionskette von Gemüseabfall hin zu Plattformchemikalien

Durch die Energiewende liegt ein Fokus auf einer effizienteren Abfallverwertung und der
Vermeidung von Energieverschwendung. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob ein aus Gemüseabfällen
gewonnenes Fermentat ein potentielles Substrat für ein bioelektrochemisches
System darstellt. Dieses System sollte es ermöglichen, die Oxidation organischer Reststoffe
mit der Produktion von Strom zu koppeln. Es wurde gezeigt, dass das Fermentat ein geeignetes
Substrat darstellt, und die enthaltenen organischen Säuren von Mikroorganismen im
bioelektrochemischen System zu CO2 oxidiert werden können. ... mehrDabei wurden anfallende
Elektronen des Stoffwechsels auf die Anode des Systems übertragen und es konnte ein
Strom gemessen werden. Außerdem wurde gezeigt, dass die organischen Säuren Acetat
und Butyrat nahezu vollständig abgebaut werden, während die Säure Propionat zunächst
nicht oder nur im geringen Maße abgebaut wird und daher im Fermentat verbleibt, bis Acetat
und Butyrat vollständig oxidiert sind. Erst wenn kein anderes Substrat mehr zur Verfügung
steht, wird auch Propionat abgebaut. Durch Einsatz eines Inhibitors konnte gezeigt werden,
dass der Großteil des Acetat-Abbaus sowie ein Teil des Butyrat-Abbaus durch Methanogenese
bedingt ist. Der Verdacht auf Beteiligung methanogener Organismen wurde zudem
über eine 16S rRNA- sowie eine Metatranskriptomanalyse bestätigt.
Um die Produktionskette abzuschließen, wurden bakterielle Produktionsstämme entwickelt,
die in der Lage sind, Propionat zu Platformchemikalien umzusetzen und so auch diese
eher reaktionsträge Säure zu einem wertvollen Endprodukt umzusetzen. Hierfür wurden
zudem Filtrationsprozesse in die Kette integriert, um das Fermentat nach der Behandlung
im bioelektrochemischen System von Schwebstoffen zu befreien und eine Aufkonzentrierung
des Propionats zu erreichen. Insgesamt konnten so aus Gemüseabfallfermentat
190,83 ± 52,40 μA/cm2 Strom gewonnen werden. Bei der Veredelung zu Platformchemikalien
konnten aus Propionat 494,30 mg/l Acetoin mit einer Umsetzungsrate von 45,53% und
456,46 mg/l 1-Propanol mit einer Umsetzungsrate von 97,94% produziert werden.
Durch die Aneinanderreihung von biotechnologischen Prozessen bietet diese Arbeit einen
innovativen Lösungsansatz für die Verwertung von Bioabfällen sowie eine Möglichkeit zur
nachhaltigen Energiegewinnung.

The energy revolution relies to a huge extent on efficient waste management and prevention
of energy loss. In this work, a fermenate obtained from vegetable biowaste was used as
substrate for a bioelectrochemical system. The working hypothesis was that the microbial
community of the system would catalyse a direct conversion of chemical energy stored in the
organic compounds into electrical enegy. It could be shown that the vegetable fermentate
is a suitable substrate for the system and that the organic acids acetate and butyrate can
be degraded to CO2. This was accompanied by a transfer of respiratory electrons onto the
... mehr
anode of the system. Further, it was shown that the organic acids acetate and butyrate are
nearly completely degraded, while propionate was not or only poorly degraded until acetate
and butyrate were depleted. From the timepoint where only propionate was available to the
community, also this organic acid was oxidised completely. By addition of an inhibitor, it was
shown that the major part of acetate degradation as well as one part of butyrate degradation
was performed by methanogenic organisms. The suspicion of methanogenesis in the system
was further affirmed by a 16S rRNA as well as a metatranscriptomic analysis.
To complete the production chain, bacterial production strains were developed to transform
propionate to platform chemicals. For this purpose, filtration processes were integrated in the
chain to clean the treated fermentate from suspended matter and to reach a concentration of
propionate. All in all, 190,83 ± 52,40 μA/cm2 current could be measured in the bioelectrochemical
system fed with vegetable fermentate. For refinement from propionate, 494,30 mg/l
acetoin with a conversion rate of 45,53% as well as 456,46 mg/l 1-propanol with a conversion
rate of 97,94% could be produced. With this concatenation of biotechnological processes,
this work provides a innovative solution approach for the utilization of biowaste as well as a
clean alternative for energy production.