RhoTech

Neue Strategie zur Wasserstoff-Produktion aus Frucht- und Molkerei-Abfällen mit Hilfe von Purpurbakterien

01.01.2020

31.07.2023

FKZ-Nr.:

03EI5407

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines für die großskalige industrielle Anwendung geeigneten Wasserstoff-Produktionsprozesses mit Hilfe von Purpurbakterien unter Verwendung von Frucht- und Molkerei-Abfällen. Dabei werden sowohl die Rohstoffverfügbarkeit als auch mögliche Nutzungsszenarien systemisch betrachtet, was die Grundlage für eine erfolgreiche Markteinführung der Technologie bilden soll.

Das Projekt soll das Potential für großskalige Wasserstoff-Produktion mit dem Purpurbakterium Rhodospirillum rubrum unter Nutzung von Frucht- und Molkerei-Abfällen als C- und Energiequellen demonstrieren. Der neuartige Prozess (genannt "Dunkel-Photosynthese") benötigt kein Licht, ist sehr kostengünstig und beliebig skalierbar. Neben der Wasserstoff-Produktion kann das "dunkel-photosynthetische" Stoffwechselregime genutzt werden, um simultan hochwertige industriell wichtige Produkte (wie Terpenoide) zu produzieren. Der "Dunkel-Photosynthese-Prozess" schließt allerdings die Möglichkeit einer niedrigenergie Ergänzungsbeleuchtung nicht aus, die hier zur Wasserstoff-Produktionssteigerung eingesetzt werden soll. Das Projekt soll ein wichtiger Biomasse Baustein in einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft und Circular Bioeconomy in Deutschland werden. Die Marktperspektiven des "Dunkel-Photosynthese" Prozesses werden durch die Entwicklung und Bewertung von systemischen Integrationsszenarien analysiert. Dies soll die Basis für folgende Pilotprojekte im industriellen Umfeld schaffen.

Biogas, Biokraftstoffe, Biomassevergasung, KWK, Sektorkopplung, Systemintegration, Validierung Marktpotenzial

Die R. rubrum Produktionsstämme werden genetisch optimiert, um einerseits eine erhöhte Wasserstoff-Produktion zu erreichen und andererseits die Ausscheidung unerwünschter Gärprodukte zu minimieren. Es wird auch eine Optimierung der Stämme für stabiles Wachstum in größeren Fermentationsanlagen durchgeführt. Hierbei werden high-throughput Mutagenese- und robotische Screening-Methoden eingesetzt.

Die Wasserstoff-Produktion und Stoffwechselprofile der optimierten Stämme werden zunächst in mittel-skaligen Fermentationsanlagen charakterisiert und durch gezielte Regelung prozessoptimiert. Die prozessoptimierten Parameter werden zur Entwicklung einer Wasserstoff-produzierenden Pilotanlage eingesetzt.

Das verwertbare Biomasseaufkommen und das damit einhergehende Bioenergiepotenzial für Bio-Wasserstoff aus Frucht- und Molkerei-Abfällen durch den "Dunkel-Photosynthese"-Prozess wird abgeschätzt und potenzielle Produktionstopologien und verschiedene Nutzungsszenarien ermittelt. Nach Auswahl eines Nutzungsszenarios mit hohem ökonomischen und ökologischen Potenzial werden für dieses die CAPEX und OPEX-Kosten sowie THG-Emissionen abgeschätzt. Strategien zur bestmöglichen Überwindung der identifizierten Barrieren und Hemmnisse werden entwickelt und die Entwicklungspotenziale hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Umweltnutzen abgeleitet. Hieraus werden Handlungsempfehlungen für eine erfolgreiche Markteinführung erstellt.

Die Möglichkeit der Wasserstoff-Produktionssteigerung durch niedrigenergie-LED-basierte Ergänzungsbeleuchtung wird untersucht. Hierfür wird eine programmierbare Beleuchtungsanlage gebaut und ein Mess- und Regelsystem etabliert. Nach Optimierungsschritten im Laborskalen Bereich werden die gewonnenen Erkenntnisse zur Konstruktion der Beleuchtung in einer Pilotanlage verwendet. Desweiteren soll ein Prototyp mit breiterem Vermarktungspotential entwickelt werden.

PUBLIKATIONEN:
- Autenrieth C, Shaw S, Ghosh R (2021): New approach for the construction and calibration of gas-tight setups for biohydrogen production at the small laboratory scale. In: Metabolites Bd. 11, S. 667. doi: 10.3390/metabo11100667.
- Full J, Merseburg S, Miehe R, Sauer A (2021): A new perspective for climate change mitigation - Introducing carbon-negative hydrogen production from biomass with carbon capture and storage (HyBECCS). In: Sustainability Bd. 13, S. 4026. doi: 10.3390/su13074026.
- Mitwirkung bei der Stellungnahme des BMWi-Forschungsnetzwerks Bioenergie (2021): Biomasse und Bioenergie als Teil der Wasserstoffwirtschaft. URL: https://www.energetische-biomassenutzung.de/de/node/72