Basisversuche zur Gewinnung von Ethanol und Wasserstoff mit einem fotosynthetisch-fermentativen Verbundsystem aus Algen, Hefen und Bakterien

Ismar, Peer; Hartmeier, Winfried

doi:1351

Basisversuche zur Gewinnung von Ethanol und Wasserstoff mit einem fotosynthetisch-fermentativen Verbundsystem aus Algen, Hefen und Bakterien = Basic tests for the production of ethanol and hydrogen with an photosynthetic-fermentative process using algae, yeast and bacteria cells

Ismar, Peer (Author)

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Peer Ismar

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

Umfang121 S.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Hartmeier, Winfried (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-12-22

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-13514
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/60480/files/Ismar_Peer.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Technische Chemie (frei) ; Alternative Energiequelle (frei) ; Verbundsystem (frei) ; Wasserstoff (frei) ; Purpurbakterien (frei) ; Clostridium butyricum (frei) ; Saccharomyces cerevisiae (frei) ; Chlorella (frei) ; Ethanol (frei) ; atmungsdefekt (frei) ; respiration deficient (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 660

Kurzfassung
In Basisversuchen wurde die Machbarkeit und die mögliche Produktivität eines geplanten fotosynthetisch-fermentativen Verbundsystems zur Herstellung der Energieträger Ethanol und Wasserstoff untersucht. Das geplante Verbundsystem besteht aus vier verschiedenen Organismentypen: Grünalgen, Hefen, Clostridien und Purpurbakterien. Die Grünalgen produzieren fotosynthetisch aus Sonnenlicht und Kohlendioxid Zucker. Dieser Zucker wird durch die alkoholische Gärung atmungsdefekter Hefen in Ethanol umgesetzt. Die Grünalgenkultur dient außerdem den in einem inneren Kompartiment des Verbundsystems kultivierten Purpurbakterien als Lichtfilter, indem sie das für Purpurbakterien schädliche, kurzwellige Licht eliminiert. Die Purpurbakterien produzieren Wasserstoff aus organischen Säuren, welche durch Molke vergärende Clostridien zur Verfügung gestellt werden.In den durchgeführten Basisversuchen konnte gezeigt werden, dass der Grünalgenstamm Chlorella sp. SAG 241.80 unter Laborbedingungen Maltose und Glucose mit Produktionsraten bis zu 476 mg pro Liter und Tag produzieren. Aufgrund der Fotosynthese der Grünalgen wurden im Fotobioreaktor Sauerstoffkonzentrationen erreicht, welche die Luftsättigung um ein Vielfaches überschritten.Unter anaeroben Bedingungen konnte kein Unterschied in der Gäraktivität von atmungsdefekten Mutanten und Wildtypen von Saccharomyces cerevisiae nachgewiesen werden. Unter aeroben Bedingungen blieben die Wildtypen in ihrer Gäraktivität jedoch weit hinter den atmungsdefekten Stämmen zurück. Die Sättigung des Mediums mit reinem Sauerstoff führte bei atmungsdefekten Mutanten zu keiner direkten Beeinträchtigung der Gäraktivität, aber zu einer Verringerung der Langzeitstabilität in nicht wachsenden Kulturen. In autotrophen Mischkulturen aus Grünalgen und Hefen konnten unter Laborbedingungen über mehrere Stunden Produktionsraten von bis zu 1,02 g Zucker pro Liter und Tag und 421 mg Ethanol pro Liter und Tag gemessen werden.Die Säurebildung aus reiner Molke war mit Clostridium butyricum nur sehr eingeschränkt möglich. Unter Zusatz von Hefeextrakt konnten jedoch Produktbildungsraten von bis 0,30 g Buttersäure pro Liter und Stunde, 0,16 g Essigsäure pro Liter und Stunde und 0,49 l Gas pro Liter und Stunde gemessen werden. Das aufgefangene Gas hatte einen Wasserstoffgehalt von bis zu 67%. Butter- und Essigsäure sind, laut Literaturdaten, problemlos als Elektronendonator zur Wasserstoffproduktion in der anoxigenen Fotosynthese von Purpurbakterien einsetzbar.Durch die Basisversuche im Rahmen der vorgelegten Dissertation konnte die Machbarkeit einzelner Prozessschritte des geplanten Verbundsystems gezeigt und ihre Produktionsraten an Energieträgern ermittelt werden.

The potential productivity of an intended cooperative process for the production of the fuels ethanol and hydrogen was tested in separated trials. The intended process integrates green algae, clostridia, purple bacteria and yeast cells. The green algae produce sugar by photosynthesis from carbon dioxide and sun light. The produced sugar will be fermented to ethanol by yeast. Further the green algae shall function as a light filter, eliminating short waves of the light which are harmful to the purple bacteria located in an inner part of the photo-bioreactor. The purple bacteria produce hydrogen from organic acids which are provided by the fermentation of clostridia using waste material, like whey, as substrate. The results of this study show that the green algae Chlorella sp. SAG 241.80 produces maltose and glucose with production rates up to 476 mg of sugar per litre and day over several days under laboratory conditions. The photosynthetic activity of the green algae results in oxygen concentrations in the photo-bioreactor which are very much higher then the saturation by air. For that reason the application of respiration deficient yeasts with a high tolerance to increased oxygen concentration was necessary. In this study respiration deficient mutants of Saccharomyces cerevisiae did not show any differences in the productivity of ethanol to their wild types under anaerobic conditions. Under aerobic conditions the wild types remained clearly behind the respiration deficient strains in their productivity of ethanol. The saturation of the cultures with pure oxygen had no short-term effect on the productivity of the respiration deficient strains but it results in a decrease of the long-term stability of not growing cultures.In autotrophic co-cultures of algae and yeasts production rates of 1,02 g of sugar per litre and day and 421 mg of ethanol per litre and day were documented over several hours under laboratory conditions.For a significant production of organic acids from whey by Clostridium butyricum, an addition of yeast extract was necessary. Thereby production rates up to 0,30 g of butyrate per litre and hour, 0,16 g acetate per litre and hour and 0,49 l of gas per litre and hour with a hydrogen content up to 67% were documented. According to the dates from literature the produced organic acids are excellent electron donators for the hydrogen production by the anoxygenic photosynthesis of purple bacteria.By the basic tests in the present study the feasibility of individual processing steps of the intended cooperative process was shown and their production rates were investigated.

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