METHANOTROPHE FERMENTATION

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1 METHANOTROPHE FERMENTATION Stand der Technik und Perspektiven ForNeBiK-Fachgespräche Fabian Steffler Centrum für Energiespeicherung Projektgruppe BioCat Fraunhofer Institut für Grenzflächen und Bioverfahrenstechnik IGB Fraunhofer

2 Fraunhofer IGB Standorte 1 Fraunhofer-Institut für Grenzflächenund Bioverfahrenstechnik IGB 2 Fraunhofer-Zentrum für Chemisch- Biotechnologische Prozesse CBP Stuttgart 4 Würzburg 2 Leuna 1 3 Straubing 3 4 Projektgruppe: Katalytische Verfahren für eine nachhaltige Rohstoff- und Energieversorgung auf Basis nachwachsender Rohstoffe BioCat Projektgruppe: Regenerative Technologien für die Onkologie Fraunhofer

3 Fraunhofer IGB Geschäftsfelder Medizin Pharmazie Chemie Regenerative Medizin Diagnostik Medizintechnik Screening und Validierung von Wirkstoffen Wirkstoffherstellung und Aufarbeitung Biobasierte Chemikalien und Materialien Funktionale Oberflächen und Materialien Formulierung Prozessintensivierung und -integration Umwelt Sekundärrohstoffgewinnung Verbesserung der Rohstoffeffizienz Wasseraufbereitung Energie Nachhaltige Energiewandlung Energieeffizienz bei verfahrenstechnischen Prozessen Energiespeicherung Fraunhofer

4 Projektgruppe BioCat Standort Straubing Katalytische Verfahren für eine nachhaltige Rohstoff- und Energieversorgung auf der Basis nachwachsender Rohstoffe Fraunhofer

5 Projektgruppe BioCat Prozesse Homogene Katalysatoren Heterogene Katalysatoren Substrat Produkt Enzyme Mikroorganismen Fraunhofer

6 Projektgruppe BioCat Struktur Leitung Prof. Sieber Arbeitsgruppe Biokatalysatordesign und -entwicklung Arbeitsgruppe Chemisch/enzymatische Prozesse und Analytik Arbeitsgruppe Chemische Katalysatoren - Design und Entwicklung Fraunhofer

7 Projektgruppe BioCat Forschungsschwerpunkte Katalysatorscreening von chemischen Katalysatoren und Biokatalysatoren Optimierung von chemischen Katalysatoren, Enzymen und -reaktionen Bereitstellung von biogenem Material aus Biomasse, Rest- und Abfallstoffen (Chitin, Terpene, Lignin) Prozessentwicklung für Chemikalien aus Biomasse Schmiermittel und biobasierte Tenside Geruchs- und Aromastoffe Energiespeicherung in mittel- bis langkettigen Kohlenwasserstoffen Fraunhofer

8 Centrum für Energiespeicherung Fraunhofer UMSICHT Projektpartner Förderung Sulzbach-Rosenberg / Oberhausen Straubing / Stuttgart Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie

9 Centrum für Energiespeicherung Einführung Energiewende Ziele der Bundesregierung Reduktion der Treibhausgasemissionen bis 2020 um 40 % gegenüber dem Wert von Reduktion der Treibhausgasemissionen bis 2050 um 80 % bis 95 % gegenüber dem Wert von Ausbau der erneuerbaren Energien bis 2020 auf einen Anteil von 18 % am Bruttoendenergieverbrauch bzw. 35 % am Bruttostromverbrauch. Ausbau der erneuerbaren Energien bis 2050 auf einen Anteil von 60 % am Bruttoendenergieverbrauch bzw. 80 % am Bruttostromverbrauch. Verminderung des Primärenergieverbrauchs bis 2020 um 20 % gegenüber Verminderung des Primärenergieverbrauchs bis 2050 um 50 % gegenüber 2008.

10 Centrum für Energiespeicherung Struktur Prof. Dr. E. Weidner Prof. Dr. T. Hirth Beirat Prof. Dr. A. Hornung Prof. Dr. V. Sieber Systemanalyse Chemische Speicher Katalyse und Prozess Chemische Speicher Verfahren/Technische Umsetzung Wärmespeicher

11 Handlungsfeld Chemische Speicher Katalyse und Prozess Energieversorgung 2025 (SRU) Biomasse (5 %) Sonnenenergie (20 %) Windenergie (50 %) Diesel Butanol Ethanol Biogas Elektrische Energie Anforderungen - Langzeitspeicherung - Transport Gas to Liquid Power to Gas Produktion flüssiger Treibstoffe Herausforderungen - Fluktuierend - Lokal

12 Centrum für Energiespeicherung Konzept Chemische Speicher Katalyse und Prozess Biotechnologisch Chemisch Regene- rative Energie e - via CO 2 /H 2 Fermentation E-Lyse Lyse, Sabatier via CO 2 /H 2 Elektrolyse + Sabatier erweitert auf >C1 via CO 2 /H 2 Elektrobiokatalyse Methanoxidation Bio- masse Methan Methanol Methanol to Gasoline Diesel, Heizöl, Flugtreibstoff Methanotrophe Fermentation

13 Centrum für Energiespeicherung Konzept Chemische Speicher Katalyse und Prozess Biotechnologisch Chemisch via CO 2 /H 2 Elektrolyse + Sabatier erweitert auf >C1 Regene- rative Energie e - via CO 2 /H 2 Fermentation E-Lyse Lyse, Sabatier via CO 2 /H 2 Elektrobiokatalyse Methanoxidation Bio- masse Methan Methanol Methanol to Gasoline Diesel, Heizöl, Flugtreibstoff Methanotrophe Fermentation

14 Methanotrophe Fermentation Diesel-Kraftstoffe aus Biogas Motivation Dezentraler Anfall von Biogas Biotechnologisch Chemisch Methanoxidation Regenerative Energie Biomasse e - via CO 2 /H 2 Fermentation E-Lyse, Sabatier Methan via CO 2 /H 2 Elektrolyse + Sabatier erweitert auf >C1 via CO 2 /H 2 Elektrobiokatalyse Methanol Methanol to Gasoline Methanotrophe Fermentation Diesel, Heizöl, Flugtreibstoff Alternative zu Verstromung langfristig notwendig Bessere Eignung von flüssigen Treibstoffen im Transportbereich Ziel Einfach zu skalierendes (bio)katalytisches Transformationsverfahren (< 80 C, Normaldruck) Erweiterung bestehender Biogasanlagen um ein weiteres Modul Energiereiche regenerative Diesel-Kraftstoffe aus Methan

15 Methanotrophe Fermentation Qualität verschiedener Diesel-Kraftstoffe Regenerativer Diesel hat Vorteile gegenüber Petrodiesel und Biodiesel Exzellente Qualität (Cetanzahl) Hoher Energiegehalt und Brennwert Bessere Fluideigenschaften und Oxidationsstabilität wertsteigernd Quelle: Fei et al. Bioconversion of natural gas to liquid fuel: Opportunities and challenges, Biotechnol Adv (2014) Produktionskosten regenerativer Diesel: 0,13 /L - 2,07 /L Quelle Fei et al. Bioconversion of natural gas to liquid fuel: Opportunities and challenges, Biotechnol Adv (2014)

16 Methanotrophe Fermentation Vorteile und Potential Prognostizierte Produktionsrate: 1000 Barrel Ölequivalent/Tag Fettsäureproduktion: 6 g/l/h mit > 95% Ausbeute Umwandlung von Fettsäuren oder -vorstufen zu regenerativen Diesel-Kraftstoffen Fermentation mit Methan (aerob) Quelle: 21 CH ,5 O 2 C 14 H 26 O H 2 O + 7 CO 2 Vorteile biotechnologische Umsetzung von Methan gegenüber chemischer Umsetzung Milde Prozessbedingungen, schnelle Umsetzung und hohe Selektivität Geringe Ansprüche an Substratreinheit Hohe Produktreinheit und -qualität

17 Methanotrophe Mikroorganismen Anwendung in Fermentationsprozessen Produktion von natürlichen Speicherstoffen wie Polyhydroxybuttersäure (PHB), Exopolysaccharide (EPS) oder Lipide Entwicklung methanotropher Mikroorganismen zu Produzenten von regenerativem Diesel-Kraftstoff Quelle: Fei et al. Bioconversion of natural gas to liquid fuel: Opportunities and challenges, Biotechnol Adv (2014)

18 Alkanogenese In vivo Produktion von Diesel-Kraftstoffen Produktion von natürlichen Speicherstoffen (z.b. Lipide) Umleitung der Speicherstoffe zu regenerativem Diesel über Einbringen neuer Stoffwechselwege in die Mikroorganismen Alkanogenese Neuer Stoffwechselweg für die Produktion von Diesel-Kraftstoffen Lipide Regenerativer Dieselkraftstoff

19 Methanotrophe Fermentation Potential Mikroorganismen Implementierung neuer Stoffwechselwege (Alkanogenese) Potential methanotropher Mikroorganismen: Effiziente Gensynthese Erweitertes Methodenspektrum in Bereichen Enzyme engineering und Bioinformatik Optimierung von Wachstums- und Produktionsraten durch Metabolic engineering High-Throughput screening nach günstigen Prozessparametern Biotechnologisch Chemisch Methanoxidation Regenerative Energie Biomasse e - via CO 2 /H 2 Fermentation E-Lyse, Sabatier Methan via CO 2 /H 2 Elektrolyse + Sabatier erweitert auf >C1 via CO 2 /H 2 Elektrobiokatalyse Methanol Methanol to Gasoline Methanotrophe Fermentation Diesel, Heizöl, Flugtreibstoff Grafik (modifiziert): Theisen et al. Molecular Microbiology (2005) 58 (3),

20 Reaktorkonzepte für Methantrophe Fermentation Rührung verbessert Massentransfer (vor allem gas-flüssig) Einfacher Rührreaktor bringt höhere Produktausbeuten Rührreaktor mit separater Membran-Säule hat geringeren Stromverbrauch Einfacher Rührreaktor Rührreaktor mit separater Membran-Säule Festbettreaktor Hohlfaserreaktor Hohlfaser CH 4 + air CH 4 + air CH 4 + air CH 4 + air CH 4 + air Grafik (modifiziert): Benjaminsson et al. Power-to-Gas A technical review, SGC Rapport 2013:284,2014, Po Heng Lee, Iowa State University

21 Klonierung und Kultivierung Genetische Modifizierung methanotropher Bakterien Fermentation von Methan und Methanol Minimal-Nährmedium C N Quelle CH 4 oder CH 3 OH NH 4 Cl PO 4 KH 2 PO 4 / K 2 HPO 4 Mg, SO 4, Fe, Mn, Zn, Cu, Weitere Minerale Komponenten Spurenelemente

22 Analytik Regenerative Diesel-Kraftstoffe (x100,000) TIC Dodecan 5.0 Octanol Decanal Zeit in min

23 Fermentation Wachstum auf Methanol und Methan OD 600 1,2 1 0,8 0,6 0,4 Legende Methylocella ssp. Methylocella ssp. modifiziert 0, Zeit (h) Wachstum auf Methan Wachstum auf Methanol 0,45 0,4 0,35 1,2 1 OD 600 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 OD 600 0,8 0,6 0,4 0, Zeit (h) Zeit (h)

24 Ausblick Steigerung der Methan-Verwertung und Produktbildung Alternativer Stoffwechselwege und enzymatische Aktivitäten testen Screening methanotropher und methylotropher Stämme und Entwicklung zu robusten Produktionsstämmen Anwendung neuer Fermentationssysteme und Prozessoptimierung in Bezug auf Wachstum und Produktbildung

25 Danksagung Fraunhofer IGB Projektgruppe BioCat Ferdinand Kirchner Centrum für Energiespeicherung Projektpartner Melanie Speck Dr. Michael Hofer Dr. Lenard Csepei Dr. Tobias Gärtner Prof. Dr. Volker Sieber Sulzbach-Rosenberg / Oberhausen Straubing / Stuttgart Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie

26 Fraunhofer Projektgruppe BioCat Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB Kontakt Dipl.-Ing. Fabian Steffler Fraunhofer IGB Schulgasse 11a Straubing Dr. Tobias Gärtner Fraunhofer IGB Schulgasse 11a Straubing Prof. Dr. Volker Sieber Fraunhofer IGB Schulgasse Straubing Internet: Vielen Dank. Fraunhofer