Quantitative process development for biological methane production from gaseous substrates using methanogenic archaea

Abstract

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der wissenschaftlichen Entwicklung eines Ein-Schritt Prozesses für die biologische Methanproduktion mit Fokus auf die Prozesstechnologie. Die potentiellen Anwendungsgebiete sind einerseits die Umwandlung von CO2- und H2-hältigen Abgasen sowie der Einsatz als "Power to Gas" Technologie. Für eine erfolgreiche industrielle Anwendung müssen jedoch einige Voraussetzungen erfüllt sein. Die wichtigsten Voraussetzungen für alle Anwendungen sind eine hohe volumetrische Produktivität, eine hohe Methankonzentration im Produktgas sowie die Langzeitstabilität des Prozesses.<br />Im Falle der Umwandlung von Abgasen, muss überdies die Toleranz gegenüber Nebenkomponenten gegeben sein, im Falle einer "Power to Gas" Technologie, eine schnelle Reaktion gegenüber intermittenter Gasversorgung.<br />Der Hauptfokus wurde darum auf prozesstechnologische Ansätze gelegt um einen Prozess zu entwickeln, der den oben genannten Anforderungen gerecht wird.<br />Im Falle der volumetrischen Methanproduktionsrate (MER) und der Produktqualität, wurde zunächst erfolgreich eine Gaslimitation der Kultur nachgewiesen. Darauf folgend wurden zum ersten Mal, den Gas/Flüssig Massentransfer beinflussende Parameter systematisch auf ihren Einfluss auf die MER und die Methankonzentration im Produktgas hin untersucht. Dies erlaubte es eine Prozessstrategie zu entwickeln, die eine hohe MER bei gleichzeitig hoher Methankonzentration ermöglicht.<br />Weiters wurde Membranbegasung der Kultur als technische Möglichkeit zur Erhöhung des Massentransfers getestet. Während die erreichten Transmembranflüsse relativ niedrig waren, konnte dennoch erfolgreich gezeigt werden, dass Mebranbegasung die Verfügbarkeit des eingetragenen Wasserstoffs für die Zellen erheblich erhöht.<br />Im Falle der Verträglichkeit von Realgasen als Edukte für die biologische Methanproduktion, musste zuerst eine generische Methode für die Quantifizierung des Einflusses von darin enthaltenen Nebenkomponenten auf die physiologische Umwandlungskapazität der Kultur entwickelt werden.<br />Mit Hilfe dieser Methode wurden dann drei verschiedene industrielle Gasmischungen, unter anderem Roh-Biogas, auf ihre Einsatzmöglichkeit als Edukte für die biologische Methanogenese hin getestet. Dies erlaubte es, zum ersten Mal, eine direkte Quantifizierung des Einflusses etwaiger Nebenkomponenten auf die Prozessleistung durchzuführen.<br />Überraschenderweise zeigte keine der vorhandenen Nebenkomponenten in den vorliegenden Konzentrationen (unter anderem CO, O2 und kurzkettige Alkane) einen negativen Einfluss auf die physiologische Umwandlungskapazität der Kultur.<br />Im Falle der intermittenten Gasversorgung, lag das Hauptaugenmerk auf der Identifizierung von, die Reaktionszeit beeinflussenden kritischen Prozessparametern. Mit Hilfe einer voll automatisierten Prozesssteuerung wurden verschiedene Parametersätze auf Ihren Einfluss auf die Reaktionszeit hin untersucht. Unter optimalen Bedingungen konnten Übergangszeiten von Stillstand auf 100% der MER im Gleichgewichtszustand von unter zwei Minuten erreicht werden.<br />Der Prozess konnte über Zeiträume bis zu 1000 Stunden stabil gefahren werden. Sogar hoch dynamischen Zuständen, wie bei der intermittenten Gasversorgung zeigten keine negativen Auswirkungen auf die Langzeitstabilität.<br />Zusammenfassend, kann gesagt werden, dass der verwendete Stamm, M.<br />marburgensis, alle Anforderungen für eine industrielle Anwendung erfüllt. Die limitierenden Faktoren auf dem Weg zu einer adäquaten MER und Produktqualität konnten erfolgreich spezifiziert werden. Die Quantifizierung der Auswirkung von Realgaskomponenten auf die Prozessleistung zeigte exzellente Verträglichkeiten und die Prozessbedingungen für eine dynamische Prozessteuerung ohne negativen Einfluss auf die Prozessstabilität konnten erfolgreich ermittelt werden.<br />All dies zeigt, dass die biologische Methanogenese als technischer Prozess, mittlerweile mehr ist als nur eine Idee. Die gezeigten Resultate bilden eine exzellente Basis für zukünftige Forschung und Prozessentwicklung genauso wie für eine erfolgreiche Maßstabsvergrößerung hin zum Pilotmaßstab.<br />

This dissertation aims on science based development of a one step process for biological methane production (BMP) using methanogenic archaea, focusing on process technological aspects. The fields of application are mainly, CO2 or H2 rich waste gas conversion and the use as "Power to Gas" technology. For an industrial application however, some process requirements have to be fulfilled. The main requirements for all applications are: high volumetric productivity and high CH4 concentrations in the product gas as well as long term stability. For waste gas conversion additionally, the stability towards side components present in those gasses has to be ensured and for a power to gas application, a highly dynamic reaction towards intermittent hydrogen supply has to be possible. The main focus was therefore put on process technological approaches to create a process capable of fulfilling the above mentioned requirements.<br />In the case of the volumetric methane production rate (MER) and product quality, a successfull identification of gas limitation of cultures of M. marburgensis has been performed. Subsequently critical fermentation parameters influencing gas liquid mass were for the first time systematically tested towards their influence on MER and CH4 offgas concentrations. This enabled to develop a strategy towards a high MER at high product quality. Furthermore membrane gassing of the culture was tested as technical solution to improve gas/liquid mass transfer. While the overall reached transmembrane flows were quite low it could be shown for the first time that membrane gassing significantly enhanced the availability of the supplied hydrogen for the cells. In the case of the effect of waste gas side components on the physiological conversion capacity of the culture, first of all a generic method for quickly assessing the impact of real gasses as reactant gasses was developed. Applying this method, three different industrial gas mixtures, including raw biogas, were tested for their applicability as reactant gasses for BMP. This enabled us for the first time to directly quantify the influence of the present side components on the cultures performance. Surprisingly, none of the side components (e.g.<br />CO, O2, short chain alkanes) present in any of the gasses showed an impact on the physiological conversion capacity of the culture.<br />In the case of dynamic hydrogen supply, the main focus was put on the identification and optimisation of critical operation parameters influencing the response to intermittent gas supply. Using a fully automized process control, different parameter sets were tested towards their influence on the cultures reaction time. Under optimum conditions a recovery time of less than two minutes from stand by mode to 100% of the steady state MER was achieved. Process stability could be ensured for time periods up to 1000 hours.<br />Even under the highly dynamic conditions created by intermittent gas supply, long term stability was given.<br />Conclusive, it can be stated, that the used strain, M. marburgensis, fulfils all prerequisites for an industrial application. The bottlenecks towards a sufficiently high MER and a proper product quality could successfully be revealed. The quantification of the influence of waste gas components on the cultures performance showed excellent tolerance and the operation conditions for a dynamic process control without affecting process stability are known.<br />This not only shows, that BMP is already more than just an idea but provides a good basis for further research and process development as well as for upscaling to pilot scale.