Kontinuierliche Fermentation von Synthesegas

Gasgemische aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid sind klassische Synthesegase, aus denen mithilfe chemischer Prozesse unterschiedlichste Grundchemikalien, wie Essigsäure und Ethanol, entstehen. Über mehrere Syntheserouten hinweg können verschiedene Feinchemikalien, z.B. für die Kosmetik-, Lebensmittel- oder Chemieindustrie, gebildet werden.

Stand der Technik

Alternativen zu den herkömmlichen Syntheseschritten sind enzymatisch katalysierte Reaktionen. Hier wandeln Mikroorganismen mittels Fermentation das Gasgemisch in Flüssigchemikalien um. Die lebenden Mikroorganismen vermehren sich eigenständig in der Reaktionssuspension. Sie haben eine hohe Selektivität und hinsichtlich der Gaszusammensetzung eine hohe Flexibilität. Beim üblichen Satzbetrieb (Batch) sterben die Bakterien aufgrund von Nährstoffmangel aber nach einiger Zeit ab. Nach max. 300 Stunden muss die Anlage geöffnet, sterilisiert und wieder angefahren werden.

Technologie

Mit einem neuen Anlagenkonzept, das den kontinuierlichen Betrieb der Synthesegasfermentation über mehrere tausend Betriebsstunden ermöglicht, schaffen Forschende des Instituts für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) am KIT die Basis für eine effektive, wirtschaftliche Nutzung des Verfahrens. Alle Komponenten sind für den vollautomatisierten Dauerbetrieb in ein Prozessleitsystem integriert und ansteuerbar: Synthesegas strömt kontinuierlich in den Reaktor und dient den Bakterien als Energie- und Kohlenstoffquelle. Die Zusammensetzung der Gase ist dabei beliebig einstellbar. Die Anlage stellt durchweg ein Nährmedium (Spurenelemente, Vitamine und Salze) für die Bakterien bereit und regelt gleichzeitig den pH-Wert durch Laugenzufuhr. Prozesskritischer Schaum, der durch Abbauprozesse der Bakterien entsteht, wird mechanisch zerstört. Der Füllstand im Edelstahlrührkessel des Reaktors wird durch eine Füllstandssonde erfasst und konstant geregelt. Um die Gaslöslichkeit zu steigern, kann der Prozessdruck auf maximal 10 bar angehoben werden. Vielfältige Möglichkeiten zur Online- und Offline-Analyse sind integriert.

Vorteile

Der höhere Prozessdruck verbessert den Gas-Flüssig-Stofftransfer und der kontinuierliche Betrieb der Fermentationsanlage erhöht die Produktivität insgesamt. Die Apparatur kommt ohne chemische Additive zur Schaumzerstörung aus. Dadurch werden die wertvollen Bakterienkulturen nicht durch Zusatzstoffe beeinflusst.

Optionen für Unternehmen

Das KIT sucht Partner zur Weiterentwicklung des Verfahrens. Die prototypische Anlage ist zudem für Parameterstudien zur Auslegung der Synthesegasfermentation für Unternehmen nutzbar.