RhoTech2

Industrielle Umsetzung von Wasserstoff-Produktion aus Fruchtsaft-Abfällen mit Hilfe von Purpurbakterien

01.01.2024

31.12.2026

FKZ-Nr.:

03EI5475

Im RhoTech2-Projekt soll das erste Up-Scaling (in den 100-Liter-Maßstab) des „Dunkel-Photosynthese“- H2-Produktionsprozesses in die industrielle Umgebung von einer KMU (Fa. Bayer Gemüse- und Fruchtsaft GmbH) im Vordergrund stehen. Dabei sollen alle Bausteine der BioH2-Produktion ausschließlich auf regenerativen Energiequellen und biogenen Rest- und Abfallstoffen basieren.

In Deutschland fallen gewaltige Mengen an biologischen Reststoffströmen an, die für mikrobielle Biowasserstoff (BioH2)-Produktion genutzt werden könnten. Photosynthetische Mikroorganismen haben ein riesiges H2-Produktionspotential, doch eine effiziente Beleuchtung größerer Kulturen ist schwierig. Daher verfolgen wir einen anderen Weg: in dem Purpurbakterium Rhodospirillum rubrum kann beim „Dunkel-Photosynthese“-Wachstumsmodus „photosynthetische“ H2-Produktion im Dunkeln angeschaltet werden. Dabei ersetzt chemische Energie aus Fruktose, die in hohen Konzentrationen in Abfällen aus der Fruchtsaftindustrie vorliegt, die Lichtenergie und dient gleichzeitig als Kohlenstoff- und Redoxäquivalent-Quelle. Da der Prozess im Dunkeln stattfindet, kann die Produktion zu beliebigen Kulturgrößen hochskaliert werden.

Sektorkopplung, Systemintegration, Validierung Marktpotenzial, Steigerung Prozess-Effizienz/-Effektivität, Biobasierter Wasserstoff, Minderung von Treibhausgasen und Umwelteffekten, Prozessoptimierung, Rest- und Abfallstoffe, Mess-/Steuerungs-/Regelungstechnik, Bioenergy carbon capture and utilization (BECCU)

Das EEP bearbeitet zwei getrennte Teilvorhaben: Teilvorhaben-Bio: Zuckerverwertungsverfahren und Stammoptimierung (Prof. Dr. R. Ghosh, Gesamtprojektkoordination). In der AG Ghosh wird das einzusetzende Nährmedium (Extrakte aus Frucht- und Gemüsetrester) weiterentwickelt und, z.B. durch verbesserte Extraktionsverfahren, optimiert. Desweiteren werden (im Labor) genetische Arbeiten durchgeführt, um Stämme zu entwickeln, die sowohl eine erhöhte H2-Produktionskapazität haben als auch eine verbesserte Substratverwertung zeigen. Hieraus kann das zukünftige Potential für eine weitere industrielle Umsetzung abgeleitet werden. In der Produktionsanlage allerdings werden keine genmodifizierten Stämme (GMOs) eingesetzt werden. Teilvorhaben-Wi: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und Treibhausgasbilanz (Prof. Dr. A. Sauer, Gesamtprojektleitung). Die AG Sauer wird die Kosten und Erträge bilanzieren, ökonomische und ökologische Analysen durchführen, Geschäftsmodelle entwickeln und eine Roadmap für den industriellen Transfer erstellen. Dabei wird ein großes Augenmerk auf die Treibhausgasbilanz gelegt werden.

Teilvorhaben: Bioverfahrenstechnische Prozessoptimierung und Stoffwechselanalysen; Die AG Grammel führt Cytostat-Experimente durch, mit deren Hilfe natürliche Mutanten gefunden werden sollen, die die verfügbaren Nährstoffe besser verwerten können. Gleichzeitig werden umfangreiche Stoffwechselanalysen (Metabolomics) für das Wachstum in verschiedenen Nährmediums-Zusammensetzungen durchgeführt. Die Metabolomics Analyse liefert ein tiefgreifendes Verständnis über Stoffwechselveränderungen in den neu entwickelten Produktionsstämmen. Außerdem soll die großtechnische Produktion des zweiten Nährsubstrates, Succinat, mit Hilfe von R. rubrum-Wachstum auf Fruktose, weiterentwickelt werden.

Teilvorhaben: Prozessoptimierung, Überführung des Prozesses in den Industriellen Maßstab. Das Fraunhofer IPA koordiniert den Transfer des Prozesses in den industriellen Maßstab. So unterstützt die AG Sauer die Arbeiten zur Aufstellung der Anlage am Produktionsstandort und arbeitet eng mit den KMU-Partnern bei der Bestimmung relevanter Parameter für das Scale-Up und zur Effizienzsteigerung zusammen. Desweiteren werden die Möglichkeiten zur Produktion hochwertiger (Neben-)Produkte (z.B. Carotinoide) evaluiert.

Teilvorhaben: Betrieb der solarbetriebenen BioH2-Produktions-Anlage auf dem Firmengelände; Die AG Bayer wirkt bei der Aufstellung und dem Betrieb der Produktionsanlage auf dem Firmengelände mit. Ein Haupt-Augenmerk wird auf der Bereitstellung und Verarbeitung des Rohstoffs (Trester) liegen, und es sollen effizientere Zerkleinerungs- und Extraktionsverfahren entwickelt werden. Auch Fragen zur Konservierung und Transportlogistik und zum weiteren Up-scaling werden bearbeitet.

Teilvorhaben: Technische Entwicklung des R. rubrum BioH2-Bioreaktorverfahrens; Die AG KE-Technologie wird die technischen Fragen des Anlagenaufbaus (z.B. Belüftung, Gas-Sammlung und -Speicherung, Niedrigenergie-Ergänzungsbeleuchtung) bearbeiten. Die Prozesssteuerung des Anlagenbetriebs wird ebenfalls optimiert werden.