SmartBioH₂-BW – Biowasserstoff aus industriellen Abwasser- und Reststoffströmen als Plattform für vielseitige Biosynthesewege

Lösungsansatz

Die Bioraffinerie basiert auf zwei Verfahren der biotechnologischen Wasserstofferzeugung, die miteinander verknüpft sind:

• In einem geschlossenem Bioreaktor werden unter Verwendung von Purpurbakterien Wasserstoff (H₂) und weitere Produkte wie Carotinoide gewonnen. Als Nebenprodukt fällt Kohlenstoffdioxid (CO₂) an.
• Das Kohlenstoffdioxid wird der angekoppelten Mikroalgenanlage zugeführt. Dort wird es in der Algenbiomasse gebunden – unter Freisetzung von weiterem Wasserstoff oder sonstigen Produkten wie Stärke. Neben der Bindung des Kohlenstoffdioxids dient der Prozess dazu, die Wasserstoff-Ausbeute zu steigern und die Produktpalette der Bioraffinerie zu erweitern.

Die Bioraffinerie soll über den gesamten Planungs- und Entwicklungsprozess hinweg nach ökologischen, wirtschaftlichen und sozialen Kriterien analysiert und optimiert werden. Die Projektpartner:innen entwickeln eine auf weitere »Biofabriken« übertragbare, ganzheitliche Bewertungssystematik, mit der die relevanten Umweltauswirkungen und wirtschaftlichen Zusammenhänge erfasst werden können.

Wasserstoff (H₂) gilt als Schlüsselelement der Energiewende. Verfahren mit photosynthetisch wachsenden Purpurbakterien oder Mikroalgen, die Wasserstoff produzieren, werden seit langer Zeit untersucht. Bislang konnten diese aber nicht im größeren Maßstab umgesetzt werden. Hier setzt das Projekt SmartBioH₂-BW an. Im Rahmen des Vorhabens wurde eine Bioraffinerie entwickelt, die auf zwei Verfahren der biotechnologischen Wasserstofferzeugung basiert, die in einer Demonstrationsanlage am Standort der Evonik Operations GmbH in Rheinfelden miteinander verknüpft wurden.

Dazu werden zunächst Purpurbakterien in einem geschlossenem Bioreaktor unter kontrolliert mikroaeroben Bedingungen kultiviert. Hierbei entstehen aus ethanolhaltigen Spülwässern neben Wasserstoff auch nutzbare Carotinoide, das Biopolymer PHA sowie CO₂ als Nebenprodukt.

Der zweite Schritt ist dann die sogenannte »Direkte Photolyse«: Dabei erzeugen Mikroalgen mithilfe von Lichtenergie aus Wasser sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff. Um diese Reaktion aufrecht zu halten, nutzt das IGB einen neuen Photobioreaktortyp, der den bei der Wasserstoffproduktion entstehenden Sauerstoff entfernen kann.

Um die Emission von CO₂ aus der Wasserstoffproduktion mit Purpurbakterien zu minimieren, wird das CO₂ einer angekoppelten Mikroalgenanlage zugeführt. In dieser wird aus CO₂, Licht und dem anfallenden Reststoffstrom Ammoniumchlorid u. a. Stärke als nutzbares Produkt hergestellt. Die Mikroalgenanlage ist ein mittels LED beleuchteter kompakter Photobioreaktor. Das Besondere an diesem: Er ist modular aufgebaut und zeichnet sich durch einen hohen Automatisierungsgrad und viel Volumen auf wenig Fläche aus.

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.

Nach der Etablierung und Optimierung beider Phasen der Fermentation im Labormaßstab war der nächste Schritt die Umsetzung des Verfahrens in ein Bioraffineriekonzept. Bei der Übertragung in den Demonstratormaßstab bei Evonik in Rheinfelden konnte durch die erfolgreiche Kopplung an den Algenreaktor und die Wasserstoffherstellung aus den ethanolhaltigen Stoffströmen gezeigt werden, dass der Aufbau einer Bioraffinerie zur klimaneutralen Herstellung von Wasserstoff technisch machbar ist.

Durch die Etablierung des Zufütterungsverfahrens und der Maßstabsvergrößerung konnte die Wasserstoffbildung im Vergleich zum Labormaßstab um das ca. 5-fache gesteigert werden. Das Ergebnis: Auf einen Monat hochgerechnet, könnten mit einer Fermentation in diesem Maßstab bereits bis zu 3400 L Wasserstoffgas produziert werden. Besonders spannend war dabei die Erkenntnis, dass während der Bildung von Wasserstoff auch Polyhydroxyalkanoate (PHA) gebildet wurden, die bis zu 54 Prozent der Bakterienmasse ausmachten. PHA sind Biopolymere und können aufgereinigt und als abbaubare Biokunststoffe für Verpackungen und Folien eingesetzt werden. Dadurch ergibt sich eine interessante Perspektive, noch weitere höherwertigere Produkte innerhalb dieser Bioraffinerie zu gewinnen und das Verfahren in Zukunft rentabler zu machen.

Mikroalgen binden Nebenprodukt CO₂

Ziel war der Aufbau einer Bioraffinerie, die Reststoffströme und CO₂ aus der chemischen Industrie verwertet und damit Kreislaufwirtschaft und Wasserstoffproduktion miteinander verbindet.

Dafür hat das Projektteam folgende Mikroalgenstämme ausgewählt: Chlorella sorokiniana und Chlamydomonas reinhardtii. Beide können unter geeigneten Bedingungen Wasserstoff produzieren und Stärke als Speicherstoff akkumulieren − und damit als mögliches Fermentationssubstrat dienen. Chlorella sorokiniana zeichnet sich darüber hinaus durch einen hohen Luteingehalt aus. Aufgrund der gültigen Gesetzeslage darf aus Reststoffströmen der chemischen Produktion gewonnenes Lutein aber nicht in Lebensmitteln oder Futtermitteln eingesetzt werden.

Im Projekt wurden auch die Nebenströme ethanolhaltige Waschwässer und Ammoniumchlorid hinsichtlich der Toxizität von Kontaminationen aus der chemischen Produktion untersucht, die sich auf das Wachstum der Mikroalgenstämme auswirken können. Es hat sich dabei gezeigt, dass beide Algenstämme die Reststoffströme verwerten können. Ethanol erbringt allerdings nur einen geringen zusätzlichen Biomassezuwachs. Ammoniumchlorid kann bisherige N-Quellen ersetzen, es ist aber eine zusätzliche pH-Kontrolle erforderlich.

Ein weiterer Reststoffstrom − CO₂, das bei der fermentativen Wasserstoffproduktion mit Rhodospirillum rubrum entsteht − kann sehr effizient durch Chlorella sorokiniana in stärkereiche Algenbiomasse umgesetzt werden. Gleichzeitig lässt sich Ammoniumchlorid für das Wachstum einsetzen. Die Verwertung von CO₂ und Ammoniumchlorid wurde zunächst auf 6-L-Labor-Photobioreaktoren übertragen. In diesem Maßstab untersuchten die Forschenden die wichtigsten Parameter der Algenproduktion: den Lichteintrag und die Biomassekonzentration. In Abhängigkeit dieser zwei Faktoren steigt im Reaktor die Biomasseproduktivität an. Die Lichtausbeute, also die Effizienz der Konversion von Licht in Biomasse, bleibt nur bis zu einer spezifischen stammabhängigen Biomassekonzentration und Lichteintrag hoch und nimmt dann ab.

Nach der Etablierung und Optimierung dieser Reststoffstrom-Nutzung im Labormaßstab war der nächste Schritt die Übertragung des Verfahrens in den Demonstratormaßstab. Die die dafür aufgebaute SmartBioH₂-Demonstrationsanlage ist eine kompakte und modulare Photobioreaktoranlage, die mit LED beleuchtet wird und durch einen hohen Automatisierungsgrad überzeugt.

Das Fazit: Für die Etablierung des Bioraffineriekonzepts im Demonstratormaßstab bei Evonik Industries in Rheinfelden konnte durch die erfolgreiche Kopplung des Algenreaktors an die R.-rubrum-Fermentation gezeigt werden, dass Reststoffströme und Fermentations-Abgasströme genutzt werden können und dass sich der Aufbau einer Bioraffinerie zur klimaneutralen Herstellung von Wasserstoff technisch bewerkstelligen lässt. 

Wasserstoffproduktion über Direkte Photolyse mit Mikroalgen

Für die Wasserstoffherstellung mithilfe der Mikroalgen im zweiten Verfahren wurde ein neuartiges Konzept gewählt, das auf der Direkten Photolyse basiert. Durch eine Immobilisierung der Algen und ein spezielles Reaktorsetup soll der Sauerstoff, der von den Algen als Nebenprodukt zum Wasserstoff produziert wird, effizient auf einen Partialdruck von unter 100 ppm im Reaktorgasvolumen abgeschieden werden können. Die kontinuierliche Entfernung des Sauerstoffs resp. der tiefe Sauerstoffpartialdruck im Reaktor ist für das Funktionieren des Prozesses entscheidend. Ist der Gehalt an Sauerstoff im System zu hoch, oxidieren die extrem empfindlichen Enzyme, welche für die Wasserstoffproduktion benötigt werden.

Nach dem Aufbau der Versuchsanlage im Labor konnten in Kurzzeitversuchen erste erfolgreiche Messungen von Wasserstoff gemacht werden. Das System ist jedoch noch nicht optimiert. Insbesondere das Verfahren zur Immobilisierung der Mikroalgen muss noch weiterentwickelt und optimiert werden. Das gewählte Konzept zur Wasserstoffherstellung mit Mikroalgen lässt sich gut hochskalieren und soll in einer geplanten Anlage im Technikumsmaßstab zur Anwendung kommen.

In einem zweiten Laboraufbau konnte auch die Abscheidung von Sauerstoff erfolgreich getestet werden, wobei eine bereits bekannte Methode zur Sauerstoffabscheidung zur Anwendung kam. Mit dem Aufbau war es schließlich möglich, den Sauerstoffpartialdruck innerhalb kurzer Zeit unter die für die Wasserstoffproduktion kritische Grenze zu bringen.