Online monitoring devices for lab scale synthesis gas fermentation using the model acetogen Clostridium Ijungdahlii

  • Online Überwachungstechniken für laborskalierte Synthesegas Fermentationen unter Verwendung des Modellorganismus Clostridium Ijungdahlii

Mann, Marcel; Büchs, Jochen (Thesis advisor); Agler-Rosenbaum, Miriam (Thesis advisor)

Aachen (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

In den vergangenen Jahren motivierten das industrielle Wachstum und der fortschreitende Klimawandel Wissenschaftler weltweit zur Erforschung alternativen Ressourcen. Die mikrobielle Fermentation ist ein facettenreicher Stoffumwandlungsprozess, mit dem Lebensmittel, Futtermittel, Medikamente oder Plattformchemikalien hergestellt werden können. Erst seit wenigen Jahren ist die Synthesegasfermentation in den Fokus gerückt. Hiermit können gasförmige oder vergaste feste Abfallströme, die CO, CO2 und H2 enthalten, in Wertprodukte für die Industrie umgewandelt werden. Die Verwendung der Abfallströme vermeidet einerseits das weitere Einbringen kohlenstoffhaltiger Gase in die Atmosphäre oder das Deponieren und stellt andererseits wertvolle Produkte zur Verfügung. In dieser Arbeit wurden Methoden zur Weiterentwicklung der Synthesegasfermentation in Laborskalierung etabliert und evaluiert. Bislang gibt es in diesem Maßstab keine Ansätze, welche eine Online-Überwachung in Kleinkultursystemen erlauben. Aufgrund dessen ist die Prozessentwicklung bisher auf weniger verlässliche oder sehr zeitintensive Methoden beschränkt. Zunächst wurde die bereits publizierte anaRAMOS für die Kultivierung des Modell-Organismus Clostridium ljungdahlii auf Fruktose angepasst. Es wurde eine Eisen(II)-Limitierung in einemregelmäßig verwendeten Komplexmedium (YTF Medium) detektiert und ein entsprechendes Modell zur Vorhersage des Eisen(II)-Bedarfs entwickelt. Anschließend wurde der Einfluss der Spurenelemente Eisen(II), Kobalt(II) und Nickel(II) unter Verwendung der anaRAMOS untersucht. Weiterhin wurden die Kultivierungsbedingungen in der anaRAMOS modifiziert, um ein Wachstum auf ATTC Medium 1754 zu ermöglichen. Um Untersuchungen auf gasförmigen Kohlenstoffquellen zu realisieren, wurde die synRAMOS konstruiert, welche entweder mit reinem CO, CO2, H2 und N2 oder Gemischen daraus begast werden kann. Die Kohlenstoffdioxidtransferrate (CO2TR) sowie die Gesamtgastransferrate (GGTR)wurden gemessen und daraus die Kohlenmonoxidtransferrate (COTR) berechnet. Die COTR wurde durch Massenbilanzen sowie ein Modell zur Berechnung der maximalen Sauerstofftransferkapazität (OTRmax) validiert. Weiterhin wurde eine Methode zur Messung der Konzentration des gelösten Kohlenmonoxids(DCOT) im Laborfermenter etabliert. Das neue Verfahren ermöglicht es, eine erhöhte Alkoholproduktion bei höherer DCOT zu detektieren. Außerdem wurde in zwei Fermentationen eine kritische DCOT von 16% gemessen, bei welcher die metabolische Aktivität zum Erliegen kommt.

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