NSERC-DFG SUSTAIN: Biologisch und elektrochemisches Prozessdesign für die biokatalytische CO2-Umwandlung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Meurer; Professor Dr.-Ing. Jörg Sauer
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 534253964

Biokatalytische Konversionsprozesse stellen einen vielversprechenden Beitrag zu einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft dar. Sie zeichnen sich durch Betriebsbedingungen aus, die im Vergleich zu bestehenden Prozessen mild sind, die Kultivierung der Mikroorganismen ist einfach und eine vollständige Konversion der Feedkomponenten ist ohne aufwendige Rückführung nicht umgesetzter Edukte möglich. Im Gegensatz zu herkömmlichen Fermentationsverfahren, die auf Stärke basieren, verwendet die Synthesegasfermentation gasförmige C1-Substrate und bietet eine große Flexibilität hinsichtlich des Ausgangsmaterials. Die Reaktionen werden durch einen chemolithoautotrophen Mikroorganismus katalysiert, und die Endprodukte einer künftigen Prozesskette können hochwertige Chemikalien wie Kraftstoffe, Chemikalien, Lipide und Proteine sein. Acetogene sind anaerobe Mikroorganismen, die für die Gasfermentation verwendet werden können. Anaerobe Acetogene sind in der Lage, durch Reduktion von CO2 über den sogenannten Wood-Ljungdahl-Weg Acetat oder Ethanol als Zwischenprodukte zu produzieren. Dieses Projekt befasst sich mit der Entwicklung, der Zustandsschätzung und Regelung sowie der Optimierung eines neuartigen Elektro-Bio-Hybridprozesses für Umwandlung von CO2 in hochwertige Produkte. Dazu gehört auch die Umsetzung der Konzepte an einem Versuchsstand. Hierzu sollen die entsprechenden Kompetenzen der beteiligten Partner vom KIT Karlsruhe, Deutschland, und der Queen's University, Ontario, Kanada, gebündelt werden. Ein Hauptziel dieser Untersuchung ist die Steigerung der Gesamteffizienz des Prozesses. Wichtige Einflussfaktoren sind die Zusammensetzung des Synthesegases, die Gasdurchflussrate, der pH-Wert, die Zelldichte im Reaktor und der Prozessdruck. Elektrochemische Prozesse sollen integriert werden, um eine Hybridlösung für die CO2-Umwandlung zu schaffen, bei der die Elektrochemie zur Steuerung der Zusammensetzung des Einsatzmaterials genutzt werden kann. Die SANDRA-Versuchsanlage, die einen kontinuierlich betriebenen Rührkesselreaktor für die Fermentation des Mikroorganismus Clostridium ljungdahli wurde vom Institut für Katalyseforschung und -technologie des KIT aufgebaut und soll als experimenteller Proof-of-Concept dienen. Die Etablierung eines stationären Zustands in diesem biologischen System ist aufgrund der langen Verweilzeit der Flüssigphase und möglicher Anpassungsprozesse der Mikroorganismen langsam. Die rein empirische Optimierung des Reaktorbetriebs ist daher äußerst zeitaufwändig. Durch den geregelten Reaktorbetrieb kombiniert mit geeigneten Zustandsschätz- bzw. Soft-Sensor-Konzepten zur Erreichung eines optimalen Betriebszustands z.B. bzgl. der Gesamtkohlenstoff-Bindung kann die Betriebszeit des Reaktors drastisch verkürzt werden. Gleichzeitig können hieraus wertvolle Informationen über das System gewonnen werden, die für ein künftiges wissensbasiertes Scale-up der neuen Technologie dringend benötigt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Kanada
• Partnerorganisation: Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada
• Kooperationspartner: Professor Dr. Cao Thang Dinh; Professor Dr. Martin Guay
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Pascal Jerono