Microbial recovery of hydrogen and carbon dioxide for bio-based fuel production

Das größte Potential von erneuerbaren Energien wird in Solar- und Windenergie gesehen, welche allerdings keine konstante und wirtschaftliche Energieversorgung garantieren können. Um kurzfristige Stromspitzen entgegen dem Strombedarf zu nutzen, können entsprechende Kapazitäten an Überschusstrom auf dem Weg der Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff (H2) konvertiert werden. Jedoch sind H2-Nutzungspfade nach ökonomischen und energetischen Gesichtspunkten nicht realistisch. Die Biokonversion von H2 und Kohlendioxid (CO2) in das Intermediat Acetat, welches in einer zweiten Stufe mikrobiell in flüssige Energieträger konvertiert werden kann, stellt eine vielversprechende Alternative dar. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden zwei homoacetogene Clostridienstämme, Morella thermoacetica und Acetobacterium woodii, erfolgreich an ein Minimalmedium adaptiert, um eine chemolithoautotrophe Produktion von Acetat aus H2 und CO2 zu induzieren. Mit einer Konzentration von 27 g/L Acetat in Batchfermentationen entpuppte sich A. woodii als der produktivere Organismus. Des Weiteren wurde gezeigt, dass durch die Immobilisierung von M. thermoacetica-Zellen Endproduktkonzentrationen gesteigert werden konnten. Im zweiten Teil wurde das Potential der Umwandlung von Acetat in Aceton, Butanol und Ethanol (ABE) über den Weg der ABE-Fermentation untersucht. Als Produktionsorganismus wurde der Clostridienstamm Clostridium beijerinckii gewählt. Da sich Ergebnisse von Vorversuchen als negativ erwiesen, müssen weitere Untersuchungen angestellt werden.Solar and wind power have considerable potential to satisfy future renewable energy needs but efficient and scalable methods for storing the intermittent electricity they produce are required. Current power-to-fuel storage strategies are based on electrolytic splitting of water to produce hydrogen (H2), which in principle is an attractive fuel. However, H2 encounters several limitations from a liquid fuel based infrastructure. The microbial conversion of H2 and carbon dioxide (CO2) into the storable intermediate acetate, which can be further converted into liquid fuels, is a potential technology to overcome these restrictions. In the first part of this work Morella thermoacetica and Acetobacterium woodii, homoacetogenic Clostridia, were successfully adapted to minimal media for the chemolithoautotrophic production of acetate from H2 and CO2. Acetobacterium woodii was found to be the more productive organism in batch fermentations, reaching final concentrations of 27 g/L acetic acid. However, product concentrations stated in literature could not be reached. Acetate concentrations were successfully increased by immobilization of cells in pre-experiments. In the second part the feasibility of a further acetate conversion into acetone, butanol and ethanol via ABE-fermentation was assessed using the strain Clostridium beijerinckii. Pre-experiments on the innovative process using acetate as a substrate and hydrogen gas as a reducing agent for the reduction of needed redox-equivalents provided negative results. Further investigations have to be conducted.eingereicht von Matthias WindhagauerMit deutscher ZusammenfassungUniversität für Bodenkultur Wien, Masterarbeit, 2016(VLID)193605