Bioprocess development and quantitative analysis of biomethane production and dark fermentative biohydrogen production

Abstract

Die wissenschaftliche Bioprozessentwicklung zur Biomethanproduktion ist der Hauptfokus dieser Dissertation. Darüber hinaus werden jedoch auch die fermentativ basierte Bioprozessentwicklung zur Biowasserstoffproduktion und die Anwendung von dynamischen Bedingungen in der Bioprozessentwicklung behandelt. Die Voraussetzungen um die Biomethanproduktion quantifizieren zu können werden in dieser Dissertation ausführlich behandelt. Die Biomethanproduktion wird hauptsächlich durch den Gas-Flüssigphasentransfer und durch die komplexen Interaktionen zwischen der Gasphase, der Flüssigphase und der Zellen beeinflusst. Während der Überprüfung der Biomethanproduktion in größerem Maßstab konnte der Einfluß von Flüssigphasenkomponenten auf die Biomasseproduktivität der methanogenen Mikroben gezeigt werden. Die Quantifizierung der fermentativen Biowasserstoffproduktion seit dem Jahre 1902 wird in einer Abhandlung komplett analysiert und statistische Auswertungen zeigen die Vor- und Nachteile der mesophilen und thermophilen fermentativen Biowasserstoffproduktion sowie verschiedener Mikroben genau auf. Die kommerzielle Nutzung der fermentativen Biowasserstoffproduktion wird durch die ungewöhnlich komplizierte Verwendung von Einheiten in der wissenschaftlichen Literatur gehemmt. In dieser Dissertation wird aufgezeigt welche Einheiten für die industrielle Verwendung der fermentativen Biowasserstoffproduktion von Bedeutung sind. Des Weiteren kann eindeutig gezeigt werden, daß ein Vertreter der thermophilen Mikroben einen deutlichen Vorteil im Verhältnis der Produktion von Wasserstoff gegenüber der gleichzeitigen Produktion von Kohlendioxid aufweist. Die gegenwärtige Nutzung von biologisch erzeugten Kraftstoffen wird komplett Analysiert und eine Einteilung der Biokraftstoffgenerationen in fünf unterschiedliche Gruppen kann aufgezeigt werden. In dieser Dissertation wird die Biomethanproduktion als die fünfte Generation der biologischen erzeugten Kraftstoffe implementiert. Die Nutzung der Biomethanproduktion im Pilot-und im industriellen Maßstab kann durch die gezielte quantitative Analyse und parallel ablaufende Bioprozessentwicklung gewährleistet werden.

Science-based bioprocess development for biological methane production (BMP) from gaseous substrates is the main focuses of this dissertation. However, also bioprocess development and quantitative analysis of dark fermentative biohydrogen production (BHP) is performed. The prerequisites for quantification of BMP by using closed batch, as well as fed-batch and chemostat culture cultivation are presented. Most crucial parameters influence the gas-limitation fundamentals or contribute to the complex effects that arise during medium development for scale-up of BMP. More than on century of dark fermentative BHP is reviewed. Statistically based evidence shows that thermophilic strains comprise high substrate conversion efficiency, but mesophilic strains achieve high volumetric productivity. Many shortcomings, which limit the utilisation of dark fermentative BHP in large-scale, emerge through a mingle-mangle of different entities and are lacking a clear vision for scale-up of this bioprocessing technology. A comparison of different biofuel bioprocessing applications shows that the 1st biofuel generation has been successfully carried into a commercial-scale, while the 2nd one still needs very much improvement. Biodiesel, biohydrogen and biomethane from the 3rd, 4th and 5th biofuel generation, respectively, are still in being studied in lab-scale to ensure high productivity and conversion efficiency. The utilisation of BMP for conversion and storage of biological and industrial waste gasses in the form of CH4 is just not any longer an illusion and the way forward to pilot- and industrial production scale for CH4 production is now feasible. Manufacturing BMP- based, decentralised or centralised, small- or large-scale power storage and H2/CO2 conversion plants, finally comes within our grasp.