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. ... mehrEbenfalls 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 & 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.
The need for renewed efforts to transition from a petroleum-based economy towards a more bio based economy is becoming ever more evident. If fossil resources continue to be the main source of fuel and bulk chemicals, it will become increasingly difficult to tackle problems such as climate change. In order to achieve a long-term sustainable development, renewable energy and biomass sources need to be the focus of research efforts. Biomass from renewable or waste sources can be gasified to generate syngas, which is mainly composed of H2, CO2 and CO. Impurities can be present, and will depend on the gasification technology used and the source of the biomass. ... mehrSyngas, as well as CO-rich gases, can also be a by-product of industrial processes, like steel-mills. A highly specialized group of anerobic, autotrophic bacteria, known as acetogens, can use these gases as fermentation substrate. The syngas is metabolized via the reductive acetyl-CoA pathway, also known as Wood-Ljundahl pathway. In this work, Clostridium ljungdahlii was the organism of choice, since it is considered a model acetogen, is widely studied and well-characterized. The carbon in the gaseous substrate is fixed into acetate and ethanol, in the case of C. ljungdahlii, but other products like butyrate or 2,3-butandiol can be produced with different organisms. These can be used as renewable bulk chemicals and commodities in present value-added chains. Therefore, the fermentation of industrial waste gases turns otherwise worthless side-products into worthy substrates, as well as helping reduce the amount of CO2 released into the atmosphere. Biomass gasification coupled with syngas fermentation technology allows to overcome the food versus fuel dilemma, since lignin-containing waste can be used and the lignocellulosic components will also be converted. Furthermore, even if syngas has been used in chemical processes like Fischer-Tropsch (FT) for decades, bacteria are much more tolerant to varying ratios of CO/H2 and impurities, and the conversion conditions are much milder, and thus can be more energy-efficient compared to the high pressures (up to 300 bar) and temperatures (up to 350 °C) needed for the FT process.
Firstly, for syngas fermentation to be successful as a widespread technology, it needs to be optimized and its economic and bioenergetic constraints need to be addressed. A deep understanding of which parameters play a significant role in the fermentation outcome is needed. Some factors that can impact the productivity and product ratios are the availability of the substrate, which is influenced by the gas flow, the availability of nutrients in the medium, the pH and the temperature. These parameters where tested in this thesis in a bench-top, stirred tank reactor (STR), in fed-batch operation. The focus was the effect of supplementing the medium with higher amounts of yeast extract and cysteine, decreasing the pH, and a combination of lower pH and lower gas flow. The results are presented in chapter 4.1. After achieving maximum substrate consumption, the culture inevitably collapses, with H2 consumption coming to a halt, and eventually also CO. It could be seen that this was not improved by higher amounts of yeast extract or cysteine, so that a nutrient deficiency could be ruled out as the cause of the culture collapse. The lowering of the pH caused a lowering in the molar acetate to ethanol ratio during the maximum gas consumption phase of the culture. This was not so when the whole run was taken into consideration, since lower pH caused a lower biomass formation overall, resulting in lower productivities and titers. The combination of lower pH and gas flow produced the highest ethanol to acetate ratio, 0.25 mol of ethanol per mol of acetate, almost doubling that of the control, although at the expense of the lowest productivity, 0.12 g/L∙h. The fermentation system used proved to be a valuable tool for screening purposes, since it could successfully detect not only differences in product formation, but also small variations in gas consumption.
Secondly, for the integration of biomass gasification and syngas fermentation technology, the tolerance towards impurities needs to be studied in detail to determine which level of syngas cleaning is needed for the process to be viable, while avoiding excessive costs. The combined effect of different syngas compositions and its impurities must be accounted for as well. Despite this being widely acknowledged, most of the studies found in literature are focused on clean, impurity-free syngas, or examine one single inhibitory compound at a time. Having established that the fermentation system here presented is a robust screening tool, different biomass-derived syngases were examined. This is presented in chapters 4.2 and 4.3 of this work. In cooperation with Prof. Dr. Nicolaus Dahmen, syngas from the gasification of straw at the Bioliq® plant at the KIT, Karlsruhe, was fermented at two different gas flows. Within the framework of Ambition, a Horizon2020 Project, and in cooperation with TNO Energy Transition, Biomass & Energy Efficiency Unit, Petten, the Netherlands, two further biomass-derived syngases where tested, one obtained from the gasification of beech wood, and the second, from gasified lignin. For each biomass-derived syngas, the same conditions were used to test an impurity-free syngas of the same composition. The performance of these fermentations, in terms of growth, product formation and gas consumption were compared. Additionally, four other clean syngas compositions were evaluated as fermentation substrates. From those, two of them were based on the syngas composition obtained at the gasification plant of ENEA (Italian National Agency for New Technologies, Energy and Sustainable Economic Development), Research Centre of Trisaia, Italy; and LNEG (National Laboratory of Energy and Geology), Amadora, Portugal. The systematic, side-by-side comparison of the biomass-derived, and the commercial, impurity-free syngases highlighted the complex synergistic effects at play. If only the gas composition is considered, the results cannot replicate what is seen with real, biomass-derived syngases: the presence of impurities had a greater impact on the fermentation than the gas composition. In all cases, when impurities were present, lower productivities were achieved, but the acetate to ethanol molar ratio decreased, signaling a shift towards a higher ethanol production. No growth inhibition was observed with any biomass-derived syngas, even if the maximum biomass concentration achieved tended to be slightly lower than with impurity-free syngas. Again, this STR fermentation system was found to be a successful screening tool for a first evaluation of biomass-derived syngases. A general overview for all fermentations of the substrate usage and fixation ratios, as well as a comparison between the maximum theoretical amount of acetate and the amount produced is given in chapter 4.4.
A further constraint of syngas fermentation technology is the limitation poised by the low biomass concentration and productivities that can be achieved. Due to the gaseous nature of the substrate, its availability is constrained by the gas-liquid mass-transfer limitation of the poorly soluble CO and H2. In an STR configuration, the volumetric power input needed to increase the gas-liquid mass transfer is deemed too high for industrial applications, and other configurations, like bubble columns or gas lift reactors are preferred. With those systems, the liquid height needed at industrial scale will cause the hydrostatic pressure to increase, and thus the solubility of the gases is enhanced. In chapter 4.5 of this thesis, the effect of increased pressures of syngas, CO2/H2 and pure CO on growth and product formation on C. ljungdahlii was investigated, using a batch system. . Besides, changes in the relative gene expression were analyzed using qPCR for the CO2/H2 cultures, to assess whether pressure had an impact in the transcriptional regulation of the cells. The cultivation system was improved and adapted to higher pressures by testing different pressure-resistant cultivation vessels: stainless-steel bottles, and glass tubes incorporating a mounted gauge. With these, experiments with pressures up to 5 bar (absolute) could be performed. With increasing syngas pressure, increasingly high maximum biomass concentrations were achieved, although a lag-phase was observed for all pressures above 1 bar (absolute). The biomass concentration decreased towards the end, and the end biomass concentration was equivalent in all cases. A slight increment in the final acetate concentration of 1 g/L at 1.5 bar and 2.5 bar, and 2 g/L at 2 bar was observed when compared to 1 bar, where 11 g/L were measured. Ethanol, contrarily, decreased from 2.6 g/L at 1 bar to 0.9 – 1.1 g/L at increased pressures. When exposed to CO2/H2 at 5 bar, the culture did not grow, and its acetate production was reduced a 54 % when compared to 1 bar. On pure CO, both cultures performed nearly identically: neither the culture at 1 bar nor the one at 5 bar showed any growth, and only a very limited acetate production of 2.7 g/L was detected. Regarding gene expression, no significant changes were observed, indicating that, under the pressure tested, the regulation of gene expression of C. ljungdahlii is equivalent to that of atmospheric pressure.
Finally, due to the anaerobic nature of C. ljungdahlii, a potential contamination of the syngas with oxygen will have an inhibitory effect, with the subsequent negative impact on the process. In chapter 4.6, and as a joint project with Dr. Teresa Mohr, a sequential culture approach was deployed to enable acetogenic fermentation on oxygen-containing waste gases. Parageobacillus thermoglucosidasius, a facultative anaerobic thermophile, was used to remove the oxygen from a 50 % air/50 % CO mixture. When both O2 and CO where consumed, the headspace consisted of mainly H2 and CO2, with leftover N2. C. ljungdahlii was subsequently inoculated, obtaining 0.52 mmol of acetate, which corresponds to 63 % of the theoretical maximum, considering the initial amount of CO.
As a final overview, the following topics were investigated on this thesis:
• Evaluation of a fed-batch system for the study of media and process parameters influence on syngas fermentation.
• Effect of biomass-derived syngas containing impurities and various gas compositions on growth and product formation of C. ljungdahlii.
• Impact of increased substrate pressure on batch cultures of C. ljungdahlii, and effect on gene expression.
• Establishment of a sequential cultivation for acetogenic fermentation following oxygen removal.
