Herwig, Christoph

Bernacchi, Sebastien

2022-09-02T01:28:34Z

2018

2018-04

<div class="csl-bib-body"> <div class="csl-entry">Bernacchi, S. (2018). <i>An axenic autotrophic and hydrogenotrophic methanogenic culture converting CO2 and H2 to CH4 within a biological methane production (CO2-BMP) process proposed as a model platform for studying gas converting bioprocesses</i> [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/79094</div> </div>

http://hdl.handle.net/20.500.12708/79094

ger: Angesichts abnehmender Reserven an fossilen Brennstoffen und wachsendem Bewusstsein für die globale Erwärmung, bekommt das Thema Verwertung von Kohlendioxid (CO2) zunehmend industrielle Relevanz. Einen möglichen Weg zur CO2-Umwandlung bieten autotrophe und hydrogenotrophe methanogene Archaeen, die CO2 als (einzige) Kohlenstoffquelle für die biologisch Methanisierung (CO2-BMP) verwenden. Dieses Konvertierungsverfahren ist vielversprechend, da es die Umwandlung von CO2 zu Methan (CH4) durch Zugabe von gasförmigem Wasserstoff (H2) über die biologische Reduktion von CO2 zu CH4, ermöglicht, wobei nur Archaeen Biomasse und Wasser als Nebenprodukte anfallen. Die experimentellen Methoden, für die Entwicklung, Skalierung und Kontrolle von Gas konvertierenden-Bioprozessen, sind jedoch noch nicht etabliert. Die vorliegende Arbeit präsentiert daher eine modulare Entwicklungsstrategie, die es ermöglichen soll, die folgenden Fragen zu beantworten: 1. Wie sollten die Entwicklungsschritte eines Gasumwandlungsbioprozesses strukturiert werden? 2. Wie und welche physiologischen Schlüsselparameter müssen bestimmt werden? 3. Welche sind die wichtigsten Parameter für das Scale-up? 4. Welche Parameter eignen sich für die Prozesskontrolle? Zu diesem Zweck werden zunächst die Vorteile der Anwendung gaskonvertierender extremophiler Mikroorganismen als Biokatalysator für die Produktion von Biokraftstoffen vorgestellt und anschließend die Herausforderungen und Lösungen für die Entwicklung eines solchen spezifischen Bioprozesses identifiziert. Die detaillierte Analyse der Herausforderungen ermöglichte daraufhin die Ausarbeitung einer modularen Entwicklungsstrategie, die eine Überarbeitung der Prozessentwicklung und, -kontrolle, sowie des Betriebs und der Scale-up-Strategie erlaubt. Weiters wird vorgeschlagen den methanogenen Stamm Methanothermobacter marburgensis als Modellorganismus für die Untersuchung von Gas-konvertierenden Bioprozessen zu verwenden. Weiters konnte gezeigt werden, dass es die entwickelte Kontrollstrategie ermöglicht, den CO2-BMP Prozess von einem unkontrollierten gaslimitierten Zustand in einen geregelten flüssigkeitslimitierten Zustand zu überführen. Was es erlaubt, die maximale katalytische Aktivität von Methanothermobacter marburgensis zu nutzen.

eng: In view of the decreasing reserves of fossil fuels and growing awareness for global warming, carbon dioxide (CO2) utilization became a topic of industrial relevance. A possible route for CO2 conversion employs autotrophic and hydrogenotrophic methanogenic Archaea in a biological methane (CH4) production process using CO2 as sole carbon source (CO2-BMP). This processing route is promising since it allows the conversion of CO2 to methane (CH4) by adding gaseous hydrogen (H2) via the biological reduction of CO2 to CH4 which is accompanied by the production of Archaea biomass and water as side products. However, the methods to apply for development, scaling up and controlling gas converting bioprocesses are not yet established. Therefore, this thesis will present a development workflow organised within modules that will aim to answer the following questions: 1. How should the development steps of a gas converting bioprocess be structured? 2. How and which key physiologic parameters need to be determined? 3. Which are the most important parameters for scale up? 4. On which parameters should the bioprocess control be based? For this, first, the benefits of using a gas converting extremophilic microorganism as biocatalyst for biofuel production will be presented and followed by the identification of challenges and solutions for development of such specific bioprocess. The detailed analysis of challenges subsequently allowed the elaboration of a modular development strategy which permits to revise the strategy for development, control, operation and scale up strategy. Furthermore, it is proposed to proposed to use the methanogenic archaea Methanothermobacter marburgensis as a model organism for the study of gas converting bioprocesses. Finally, it was also found that the developed control strategy allows to switch from an uncontrolled gas limited state to a controlled liquid limited state in which it is possible to exploit the maximum catalytic activity of Methanothermobacter marburgensis.

Zusammenfassung in deutscher Sprache

VI, 218 Seiten

English

en

Biomethane production

bioprocess development

gas limited processes

An axenic autotrophic and hydrogenotrophic methanogenic culture converting CO2 and H2 to CH4 within a biological methane production (CO2-BMP) process proposed as a model platform for studying gas converting bioprocesses

Thesis

Hochschulschrift

TU Wien, Österreich

Wien

Technische Universität Wien

E166 - Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften

Doctoral

AC15029309

218

Dissertation

Dissertation

staff

en

doctoral thesis

none

no Fulltext

Publications

http://purl.org/coar/resource_type/c_db06

E166 - Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften

E150 - Fakultät für Technische Chemie