Entwicklung einer biotechnologischen Produktionskette von Gemüseabfall hin zu Plattformchemikalien

Durch die Energiewende liegt ein Fokus auf einer effizienteren Abfallverwertung und der Vermeidung von Energieverschwendung. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob ein aus Gemüseabfällen gewonnenes Fermentat ein potentielles Substrat für ein bioelektrochemisches System darstellt. Dieses System sollte es ermöglichen, die Oxidation organischer Reststoffe mit der Produktion von Strom zu koppeln. Es wurde gezeigt, dass das Fermentat ein geeignetes Substrat darstellt, und die enthaltenen organischen Säuren von Mikroorganismen im bioelektrochemischen System zu CO2 oxidiert werden können. Dabei wurden anfallende Elektronen des Stoffwechsels auf die Anode des Systems übertragen und es konnte ein Strom gemessen werden. Außerdem wurde gezeigt, dass die organischen Säuren Acetat und Butyrat nahezu vollständig abgebaut werden, während die Säure Propionat zunächst nicht oder nur im geringen Maße abgebaut wird und daher im Fermentat verbleibt, bis Acetat und Butyrat vollständig oxidiert sind. Erst wenn kein anderes Substrat mehr zur Verfügung steht, wird auch Propionat abgebaut. Durch Einsatz eines Inhibitors konnte gezeigt werden, dass der Großteil des Acetat-Abbaus sowie ein Teil des Butyrat-Abbaus durch Methanogenese bedingt ist. Der Verdacht auf Beteiligung methanogener Organismen wurde zudem über eine 16S rRNA- sowie eine Metatranskriptomanalyse bestätigt. Um die Produktionskette abzuschließen, wurden bakterielle Produktionsstämme entwickelt, die in der Lage sind, Propionat zu Platformchemikalien umzusetzen und so auch diese eher reaktionsträge Säure zu einem wertvollen Endprodukt umzusetzen. Hierfür wurden zudem Filtrationsprozesse in die Kette integriert, um das Fermentat nach der Behandlung im bioelektrochemischen System von Schwebstoffen zu befreien und eine Aufkonzentrierung des Propionats zu erreichen. Insgesamt konnten so aus Gemüseabfallfermentat 190,83 ± 52,40 μA/cm2 Strom gewonnen werden. Bei der Veredelung zu Platformchemikalien konnten aus Propionat 494,30 mg/l Acetoin mit einer Umsetzungsrate von 45,53% und 456,46 mg/l 1-Propanol mit einer Umsetzungsrate von 97,94% produziert werden. Durch die Aneinanderreihung von biotechnologischen Prozessen bietet diese Arbeit einen innovativen Lösungsansatz für die Verwertung von Bioabfällen sowie eine Möglichkeit zur nachhaltigen Energiegewinnung