Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

EVOBIO-Demo – Technologien für die Kläranlage der Zukunft

Biotechnologische Produktion von organischen Säuren aus Methanol – Update

»Grünes« Methanol kann aus CO2 und Wasserstoff oder Synthesegas und erneuerbarer Energie hergestellt werden. Dadurch liegt sein Einsatz als zentraler Rohstoff einer nachhaltigen chemischen Industrie mit enormem Potenzial auf der Hand. Insbesondere die aktuellen politischen Rahmenbedingungen bieten Platz für diesen klimapositiven Ansatz. Vor diesem Hintergrund wurde das vom BMBF und Fraunhofer geförderte Verbundvorhaben EVOBIO im Folgeprojekt EVOBIO-Demo von einem Fraunhofer-Konsortium bestehend aus IGB, UMSICHT und IMW weitergeführt. Im Vordergrund steht die Weiterentwicklung einer biotechnologischen Produktionsroute für organische Säuren aus Methanol. Dabei kann das Methanol aus Synthesegas des am Fraunhofer UMSICHT entwickelten TCR®-Prozesses aus Klärschlämmen gewonnen werden. Dieser Ansatz verbindet somit die Nutzung eines Abfallprodukts, nämlich Klärschlamm, mit der Synthese eines Wertprodukts. Somit kann dieses Verfahren eingebettet werden in eine »Kläranlage der Zukunft«.

Zeitlicher Verlauf des Fermentationsprozesses zur Produktion einer organischen Säure aus Methanol mit gentechnisch veränderten Zellen von M. extorquens AM1.
© Fraunhofer IGB
Zeitlicher Verlauf des Fermentationsprozesses zur Produktion einer organischen Säure aus Methanol mit gentechnisch veränderten Zellen von M. extorquens AM1.

Methylotrophe Fermentation als Ansatzpunkt

Methylotrophe Mikroorganismen sind vielversprechende Mikroben, da sie Methanol in Fermentationsprozessen zu Wertprodukten umwandeln können. Ein Produktionsstamm erster Generation zur Synthese einer organischen Säure, bereits im ersten EVOBIO-Projekt entwickelt, wurde im Nachfolgevorhaben EVOBIO-Demo zunächst hinsichtlich seiner Produktionsleistung charakterisiert und mithilfe von Methoden des Metabolic Engineering und der Bioprozessentwicklung gezielt verbessert. Das Verfahren für die Produktion dieser organischen Säure aus CO2 ist neu und kann zukünftig einen Beitrag zur Reduktion industrieller CO2-Emissionen leisten.

Ein vielversprechender Verfahrensansatz

Nachdem ein maßgeschneiderter Produktionsstamm entwickelt worden war, wurde dessen Produktionsleistung in Fermentationsversuchen getestet. Es zeigte sich, dass die erste Generation des Produktionsstammes bereits eine signifikante Produktion des Zielprodukts ermöglicht (Abb. 1). Im folgenden Projektverlauf haben wir über rationale Stammentwicklung und In-silico-Modellierungen des Stoffwechsels nach Strategien gesucht, um die Produktionsleistung und Ausbeute weiter zu steigern. Parallel dazu wurden in Batch- und Fed-Batch-Fermentationsexperimenten weitere Optimierungsstrategien an dem neu etablierten Verfahren getestet. Insbesondere sollte die organische Säure beispielhaft aus dem sogenannten, von Fraunhofer UMSICHT bereitgestellten TCR®-Methanol produziert werden, um das Verfahren auf den Prüfstand zu stellen. Die Bewertung des Technologietransfer-Potenzials in die Industrie erfolgte durch das  Fraunhofer IMW. Die Ergebnisse flossen abschließend in eine Erfindungsmeldung ein, die den entwickelten Biokatalysator beschreibt.

Technologietransfer in die Industrie als Ziel

Diese grundlegenden Arbeiten in EVOBIO-Demo zeigen, dass die Verknüpfung von Power-to-X-Prozessen mit biotechnologischen Produktionsverfahren möglich ist und derartige Prozesskaskaden einen vielversprechenden Ansatz für die Nutzung von CO2 oder Synthesegas, gewonnen aus Klärschlämmen, als nachhaltige Ressource darstellen. Im nun folgenden Schritt soll das Verfahren weiter in Richtung industrieller Anwendung entwickelt werden. Die Suche nach interessierten Anwendungspartnern aus der Industrie hat bereits gestartet.

Projektinformationen

Projekttitel

EVOBIO-Demo – Technologien für die Kläranlage der Zukunft

 

Projektlaufzeit

April 2021 – Dezember 2021

 

Projektpartner

  • Fraunhofer IGB, Straubing
  • Fraunhofer UMSICHT, Sulzbach-Rosenberg
  • Fraunhofer IMW, Leipzig

Förderung

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und der Fraunhofer-Gesellschaft für die Förderung des Projekts »EVOBIO-Demo«, Förderkennzeichen L1FHG42421.

Bundesministerium für Bildung und Forschung.