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Synthesegase Biologische Synthesegas-Fermentation für mehr Nachhaltigkeit

Autor / Redakteur: Knut Georgy* / Dr. Ilka Ottleben

Um die chemische Industrie unabhängiger von fossilen Rohstoffen zu machen, setzen Karlsruher Forscher auf State-of-the-Art-Synthesegas-Fermentation. So wollen sie, mithilfe von Enzymen und Bakterien, Wertstoffe produzieren. Präzise und robuste Sensoren leisten dabei einen wertvollen Beitrag.

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Abb. 1: Alles andere als unendlich – die globalen Ressourcen fossiler Brennstoffe gehen zur Neige, Alternativen sind gefragt. Auch von Seiten der chemischen Industrie.
Abb. 1: Alles andere als unendlich – die globalen Ressourcen fossiler Brennstoffe gehen zur Neige, Alternativen sind gefragt. Auch von Seiten der chemischen Industrie.
(Bild: ©James/Fotolia.com)

Fossile Brennstoffe wie Erdöl und Erdgas bilden trotz des Klimawandels nach wie vor die wichtigsten Energiequellen weltweit. Und auch für die chemische Industrie sind sie unabdingbar, denn 95 % der Grundchemikalien resultieren aus fossilen Rohstoffen. Da diese in absehbarer Zukunft einer begrenzten Verfügbarkeit unterliegen, stellen Kohlenstoffträger auf Basis nachwachsender Rohstoffe eine wirkliche Alternative dar. Diese sollen auf lange Sicht die Umsetzung einer funktionierenden Bioökonomie mit umweltfreundlichen Stoffkreisläufen ermöglichen.

Der Bereich der Technischen Biologie am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) beschäftigt sich mit Fragestellungen der industriellen Biotechnologie und insbesondere mit nachhaltigen und effizienten Biosynthesewegen. „Unser Institut sieht sich als Schnittstelle zwischen Biologie und Biotechnologie. Wir schlagen eine Brücke von biologischen Grundlagen hin zu möglichen technischen Anwendungen“, erläutert Dipl.-Ing. Florian Oswald, Doktorand und Mitglied des Forschungsteams für Synthesegasfermentation am KIT. Um adäquate Forschungs­arbeit zu gewährleisten, sind präzise Messwerte von höchster Relevanz. Bereits seit über zehn Jahren setzt der Bereich für Technische Biologie daher auf die bewährten Messlösungen von Hamilton Bonaduz.

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Das Ziel des Institutes ist es, mithilfe von Enzymen und Bakterien, Wertstoffe herzustellen. Mittels Vergasung kann aus Biomasse Synthesegas – eine Mischung aus CO, H2 und CO2 – gewonnen werden. Dieses Synthesegas kann dann verwendet werden, um Methan, Methanol und höhere C-Ketten zu synthetisieren. Die Theorie wurde bereits in den 1930er Jahren in die Praxis umgesetzt, um mittels Fischer-Tropsch-Synthese aus Kohle Benzin herzustellen.

Niedriges Redoxpotenzial für anaerobe Mikroorganismen

Das KIT-Team möchte nun von der chemischen zur biologischen Synthese wechseln. Im Gegensatz zur chemischen Synthese liegt der Vorteil der biologischen Synthesen primär in der Resistenz der Bakterien gegenüber im Synthese-Rohgas enthaltenen Verunreinigungen und Verschmutzungen. Um einen aufwändigen und teuren Gasreinigungsprozess zu vermeiden, werden hier bestimmte anaerobe Mikroorganismen – so genannte acetogene Bakterien – eingesetzt. Diese tolerieren die schwefel- und stickstoffhaltigen Verunreinigungen im Synthese-Rohgas und können sie gleichzeitig als Nährstoffe für die Herstellung von Aceton, Ethanol oder auch Buttersäure nutzen. Acetogene Bakterien sind empfindlich gegenüber Sauerstoff und benötigen für ihren Stoffwechsel ein Redoxpotenzial unterhalb eines bestimmten Schwellenwertes. Dies wird erreicht, indem der Sauerstoff aus der wässrigen Lösung entfernt wird. Ein vordefinierter Redox-Schwellenwert von -200 mV gewährleistet, dass die Bakterien zuverlässig anwachsen.

Bei der Fermentation von Synthesegas ist es wichtig, den Zeitpunkt zu erkennen, an dem der Zucker aus der Vorkultur verbraucht ist. In diesem Fall zeigt der Redoxwert einen Sprung an, der die Verantwortlichen zu weiteren Maßnahmen veranlasst. Um den Zuckergehalt sowie den Redoxwert zu kontrollieren, setzt das KIT-Team den Redoxsensor Easyferm Plus ORP Arc von ­Hamilton Bonaduz ein. Mithilfe des Sensors werden die Parameter im Bioreaktor auf die für die Bakterien idealen Werte eingestellt. Im Gegensatz zu vielen anderen Sensoren hält der robuste Redoxsensor anspruchsvollen Anwendungen in der chemischen Industrie stand. Zudem ist er druckbeaufschlagt, sodass eine eventuelle Verstopfung sowie das Eindringen des Mediums in den Referenz-Elektrolyten wirkungsvoll verhindert wird.

Dank seiner Everef-F-Referenzpatrone bleibt der Phermlyte-Referenzelektrolyt des Sensors frei von Silber und dessen Niederschlägen. Dadurch erreicht er eine lange Lebensdauer. Der Sensor liefert ergänzend driftfreie und zuverlässige Messergebnisse im Bereich von -1500 mV bis zu +1500 mV und widersteht CIP- und SIP-Reinigungen. Der im Bioreaktor eingesetzte Sensor arbeitet mit der bewährten Arc-Technologie: Mit einem Micro-Transmitter im Sensorkopf werden alle relevanten Daten, einschließlich der Kalibrierung und Standardinformationen, gespeichert. „Uns hat vor allen Dingen die einfache Hand­habung begeistert“, erklärt Dipl.-Ing. Michaela Zwick, die ebenfalls im Forschungsteam für Synthesegasfermenta­tion mitwirkt. „Dank der Kooperation mit den Schweizer Experten war auch die Kommunikation zu unserer Labview-basierten Monitoring-Software keine Hürde“.

Präzise Forschungsarbeit dank Sauerstoffsensoren

Die Sauerstoffkonzentration wird zusätzlich mit amperometrischen Sensoren überprüft. In den Bioreaktoren, in denen auch die Synthesegasfermentation erfolgt, finden unter anderem zwölf Oxyferm-Sensoren sowie das Nachfolgemodell Oxyferm FDA von Hamilton Bonaduz Verwendung. Diese Sauerstoffsensoren sind vor allem für hygienisch anspruchsvolle Anwendungen prädestiniert. Den speziell für die Kultivierung von Mikroorganismen geforderten, exakten und driftfreien Mess­ergebnissen in Echtzeit, kommen die Sensoren mit einer kurzen Reaktionszeit sowie schneller Polarisation nach. Eines der Kriterien für die Sauerstoffsensoren von Hamilton war es, dass sie Autoklavierungen, CIP- und SIP-Zyklen standhalten. „Ein weiterer Vorteil ist, dass wir an allen Sensoren die Wartung selbst durchführen können. Trotzdem besteht die Möglichkeit bei Problemen jederzeit schnell und unkompliziert auf die Unterstützung von Hamilton zurückzugreifen“, erklärt Dipl.-Ing. Michaela Zwick.

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„Zusätzlich haben wir den optischen In-Line-Sauerstoffsensor Visiferm DO im Einsatz. Der Sensor bietet im Vergleich zu den amperometrischen Lösungen noch schnellere Ansprechzeiten und trägt so zu einer äußerst zuverlässigen Bestimmung der kLa-Werte bei“, so Dipl.-Ing. Florian Oswald. Der kLa-Wert stelle das Maß für die Effizienz des Gaseintrags dar und könne aufgrund der notwendigen kurzen Ansprechzeiten in den kleinen Bioreaktoren nur mithilfe des optischen Sauerstoffsensors bestimmt werden. Die Sensorlösung Visiferm DO des Schweizer Experten basiert auf dem sauerstoffabhängigen Fluoreszenzmessprinzip. Als Basis für die Messung dient die zeitliche Verschiebung des Phasenwinkels zwischen dem Anregungs- und Emissionslicht.

Besonders für die rauen Umgebungsbedingungen der Bioreaktoren ist dieser Detektionsprozess von großem Vorteil; unabhängig von Durchfluss, Druck und CO2-Gehalt bildet er die Grundlage für zuverlässige und präzise Messergebnisse.

Erfolgreiche Zusammenarbeit ebnet Weg für Kooperation

„Zu Beginn der Zusammenarbeit hat uns besonders die Testphase für die Sensor­lösungen aus der Schweiz gefallen. Hier wurde uns ausreichend Zeit gegeben, die richtige Sensortechnik für unsere Anwendungen zu finden“, resümiert die Forschungsgruppenleiterin Dr. rer. nat. Anke Neumann und ergänzt, dass die anwenderfreundliche Bedienung, die lange Laufzeit und die robuste Konstruktion der Sensoren bereits seit über zehn Jahren überzeugen.

* Dr. K. Georgy: Hamilton Bonaduz AG, 7402 Bonaduz/Schweiz

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