Bakterielle Wasserstoffherstellung: Vom Labor- in den Demonstratormaßstab
Mithilfe des ersten Prozessschritts, der Wasserstoffherstellung mithilfe von Bakterien, konnte ein bisher nicht genutzter ethanolhaltiger Stoffstrom erschlossen werden. Gleichzeitig lässt sich dabei auch Energie in Form von Wasserstoff zurückgewinnen. Zu diesem Zweck wurde in einem 75-Liter-Bioreaktor eine Fermentation durchgeführt, bei der das Purpurbakterium Rhodospirillum rubrum Ethanol − unter Zuhilfenahme von Zuckern wie Fructose − verstoffwechselt und dabei unter sogenannten mikroaeroben Bedingungen Wasserstoff bildet. Mikroaerobe Bedingungen bedeuten, dass durch eine Steuerung der Belüftung und Rührung innerhalb eines Bioreaktors die Produktion von Sauerstoff so limitiert wird, dass die Bakterien genau an der Grenzschwelle zwischen Atmung und sauerstofffreier Gärung »arbeiten«.
Um die Projektziele zu erreichen, galt es in der konkreten Umsetzung zunächst, den bei Evonik anfallenden Stoffstrom zu analysieren und mithilfe von Wachstumsversuchen und Toxizitätstests zu bewerten. So sollte geklärt werden, in welchen Konzentrationen das Substrat eingesetzt werden kann, da Ethanol in hohen Konzentrationen auch bei diesen Bakterien desinfizierend wirkt. Als optimaler Kompromiss zwischen größtmöglichem Verbrauch an Ethanol und trotzdem hohen Wachstumsraten stellte sich eine Substratkombination von Ethanol und Fructose mit jeweils 15 g/L heraus. Im Anschluss wurde die Zusammensetzung der Nährstofflösung optimiert, um das Wachstum weiter zu steigern.
Auf diesen Grundlagen aufbauend, konnte die Bakterienkultivierung dann vom Glaskolben in einen Bioreaktor im kleinen Labormaßstab übertragen werden. Der Laborreaktor bot den Vorteil, dass das Wachstum und die Bildung von Wasserstoff durch Regelungen verschiedener Kultivierungsparameter kontrolliert werden konnte und dadurch bereits Parallelen zu einer Skalierung in den Demonstrator-Maßstab bestanden.
Im Bioreaktor unterteilte das Projektteam das Verfahren dann in zwei Phasen. Zunächst wurde der Bioreaktor mit Luft begast, also aerob betrieben, da die Atmung bei Bakterien dabei effizienter abläuft und so höhere Wachstumsraten und Zelldichten erreicht werden. Das wiederum resultierte in einem effizienteren Prozess mit höheren Wasserstoffbildungsraten. Im Anschluss wurden die Luftzufuhr limitiert und damit Bedingungen geschaffen, unter denen das Bakterium durch die mikroaerobe Dunkelfermentation Wasserstoff produziert.
Da mehr Bakterien auch eine größere Menge Wasserstoff erzeugen, wurde ein Zufütterungsverfahren entwickelt. Dabei werden während der Fermentation schrittweise neue Nährstoffe zugeführt, um ein beständiges Wachstum der Bakterien aufrechtzuerhalten. Für die verwendete Fütterungslösung ist es wichtig, dass Kohlenstoffquellen wie Ethanol und Fructose, Stickstoffquellen, Spurenelemente und Vitamine im richtigen Verhältnis zueinander stehen, damit keine Nährstoffmängel auftreten. Die könnten nämlich ein weiteres Wachstum hemmen. Nach einem Vergleich verschiedener Konzepte haben sich die IGB-Forschenden auf ein pO2-abhängiges Fütterungsprofil festgelegt. Dabei wird der Sauerstoffpartialdruck (pO2) im Fermentationsmedium gemessen. Atmen die Zellen, wird Sauerstoff verbraucht und der Partialdruck sinkt. Sind Ethanol und Fructose dann vollständig aufgebraucht, verlangsamt sich der Stoffwechsel und weniger Sauerstoff wird von den Bakterien verbraucht − erkennbar an einem Anstieg des Partialdrucks, dem sogenannten »hunger peak«. Anhand dieses Hungersignals können die Forschenden dann erkennen, dass Substrat fehlt und eine frische Nährlösung zufüttern, sodass die Bakterien weiterwachsen. Im Labormaßstab konnte so eine Zelldichte von bis zu 34 g/L Bakterientrockenmasse erreicht werden.
In der mikroaeroben Phase findet dann die sogenannte mikroaerobe Dunkelfermentation statt und es wird somit Wasserstoff produziert. Bei der Atmung wird Sauerstoff als sogenannter terminaler Elektronenakzeptor übertragen. Dadurch kann das Bakterium zentrale Moleküle für die Atmungskette regenerieren und die Atmung aufrechterhalten. Wird dieser Sauerstoff zu diesem Zeitpunkt aber limitiert, droht die Atmung zu erliegen. Als einen Überlebensmechanismus verwerten die Purpurbakterien daraufhin Wasserstoff. Dabei können Elektronen an Protonen übertragen und in Form des Gases aus den Bakterien ausgeschieden werden. Um dieses Funktionsprinzip im Bioreaktor umsetzen zu können, galt es im Projekt erst einmal, eine zuverlässige Wasserstoffanalytik zu etablieren. Im Anschluss wurde dann bewertet, wie sich unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen im Fermentationsmedium auf die Wasserstoffausbeute auswirken. Dabei konnte durch die Zugabe von zusätzlichem Stickstoff zur Begasungsluft die Wasserstoffausbeute maximiert werden.