EtOH, ABE and Syngas fermentation

Question 1

Welche allgemeinen Infos gibt es zu Ethanol?

Answer 1

• Ca. 80% weltweit werden für Autoantrieb genutzt (gemischt mit Gasoline E5, E10, E85)
• restlichen 20 für chemical-technical (Deo, Desinfektionsmittel, Solvent, Cleaning) und food sector (Bier, Wein, Essig)
• Produktion via Alkohlfermentation von Substraten, welche Zucker oder Stärke haben
• Blöd, weil Nahrung für Treibstoff genutzt wird&raquo_space; man braucht Alternativen

Question 2

Welche Stoffwechselwege und Organismen sind in der Produktion von Ethanol involviert?

Answer 2

• Fermentieren von Sucrose/ Stärke (erst zu Glucose durch Hydrolysation) zu EtOH
• Durch Hefe (Saccharomyces cerevisiae) oder Bakterien (Zymomonas mobilis)&raquo_space; Hauptsächlich mittels Hefe
• Reduktionäquivalent von Glycolyse (NAD+&raquo_space; NADH) muss durch Decarboxylierung von Pyruvate und folgender Dehydrogenierung zu EtOH generiert werden

Question 3

Was sind die Zwischenprodukte von D-Glucose zu Ethanol?

Answer 3

D-Glucose&raquo_space; Pyruvat&raquo_space; Acetaldehyd&raquo_space; Ethanol
(die Pfeile sind: Glykole, Pyruvat-decarboxylase, Alkohol-dehydrogenase)

2ATP und 2CO2 werden gebildet

Question 4

Aus welchen Schritten besteht ein typischer Prozess der EtOH Fermentation mit Getreide als Substrat?

Answer 4

Fräsen (milling), Verflüssigen (liquefaction), Verzuckerung (saccharification), Fermentation und Destillation (Alkohol extrahieren)

Question 5

Wie sehen die Schritte bei der typischen EtOH Produktion in Detail aus?

Answer 5

• Grain is milled and mixed with α-amylase in water at high temperature (mashing) → starch liquefaction (formation of soluble oligosaccharides). Cleavage into glucose units is achieved by adding glucoamylase (saccharification)
• Yeast first respires any oxygen still present and forms biomass before then initiating the fermentation process
• Ethanol is obtained from the liquid by distillation
• The non-fermentable residue (including the yeast cells) is called stillage. Dewatering + evaporation of the stillage yields DDGS (Dried Distillers’ Grains with Solubles) as animal feed

Question 6

Welches Substrat hat den höchsten Yield?

Answer 6

Zuckerrohr (Sugar cane)

Question 7

Wo findet die Fermentation statt?

Answer 7

batch, fed-batch und continuous culture

Question 8

Was sind Vorteile bei einer Continuous culture?

Answer 8

• höhere Produktivität, while in static culture the microorganisms
  undergo acid treatment after fermentation (addition of
  acid, pH between 2 - 2.5) and are used for further
  fermentations (elimination of contaminants)

Question 9

Was passiert mit dem Strain nach langer Betriebszeit?

Answer 9

Starterkulturen werden von wild-Strains dominiert

Question 10

Zwischen welchen Werten variiert die Produktionsrate bei EtOH?

Answer 10

2.2 bis 2.8 g ethanol/l h

Question 11

Übersicht vom Prozess Bio-ethanol:

Answer 11

Folie 7 in VL2

Question 12

Wofür steht ABE?

Answer 12

Acetone-butanol-ethanol Prozess

Question 13

Was ist die Geschichte hinter ABE?

Answer 13

• Prozess von Chaim Weizmann et al.
• Hauptsächlich angetrieben durch Engpässe (Krieg und so)
• Acetone wurde gebraucht als Treibstoff für Munition Produktion und Butanol als Lösungsmittel
• Rückgang gegen 1950 (substrate vs. Ölpreise)
• Auferstehung im Kontext Nachhaltigkeit, CO2 Emission und Kreiswirtschaft (Zertifikate und bumbs)

Question 14

Welche Allgemeine Info wurde über ABE gedroppt?

Answer 14

• Butanol wird für die Produktion von Butyl Acrylate und anderen synthetischen Harzen (resins) + potentiell als BioTreibstoff genutzt
• Aceton wird genutzt für die Produktion von Plexiglas, Lösungsmitteln, Reinigern und Klebstoffen (Adhesives)
• die ABE Fermentation ist der zweitgrößte Biotechnische Prozess, nach der Ethanolproduktion

Question 15

Welche Fermentation ist es bei ABE?

Answer 15

Anaerobe Fermentation von Zuckern zu EtOH, Butanol und Aceton durch Clostridia spp. (Hauptsächlich Clostridium acetobutylicum )
- Prinzipen von der Solventogenese und Acidogenese, zwei Phasen des Stoffwechsels mit Zwischenschaltung zueinander

Question 16

Was ist das Butanol:Aceton:Ethanol Verhältnis am Ende der ABE Fermentation?

Answer 16

6:3:1

Question 17

Wie sieht die ABE Produktion aus? Welche Schritte?

Answer 17

Wachstum der Bakterien teilt sich in 2 Phase
- 1.: Acidogene Phase: Die Säuren Butyrat und Acetat werden gebildet (2:1) und ATP generiert
- Säuren führen zum Zusammenbruch des PMF (Gradient und H+ und so)&raquo_space; Zelltod
- 2.: Solventogene Phase (Stationäre Phase): das meiste der Säure wird rebabsorbiert und zu Butanol und Aceton umgeformt&raquo_space; die neutralen Produkte verhindern den “pH-effect” und NAD+ wird regeneriert
- Acetone, Butanol, Ethanol aber auch toxic (Butanol am schlimmsten) und C. acetobutylicum macht das aus evolutionären Vorteilen weil alle Mitesser in der Zeit sterben
» Formen Endosporen (am widerstandsfähigen) mit Key-TF Spo0A (response regulator)

Question 18

Übersicht ABE Pathway

Answer 18

Folie 13 VL2

Question 19

Was können Gründe zum Solvent Shift sein?

Answer 19

• Hunger
• Veräußerung (pH unter 4.5)
• Produktansammlung (Butyrate und Acetat)
• Intermediatansammlung (Butyryl)
• Schlechte Energiebilanz (Verhältnis NAD℗H/NAD℗+)
• Niedrige Zellpolarisierbarkeit
  » Problem: Inhomogenität, Prozessstabilität, schwieriges metabolisches engineering + fluxes?

Question 20

(ABE) Welche:
1. Strains werden zur Produktion genutzt?
2. Substrate werden genutzt?
3. Produktionsrate gibt es?

Answer 20

1. Produktion von Butanol mit den Klassikern (Clostridium acetobutylicum, C. beijerinckii, C. saccharobutylicum und C. saccharoperbutylacetonicum)
2. Rohrzucker, Mais und Manioc. Stärke wird in Zucker gebrochen durch Amylasen von Clostridia; Pentosen können auch genutzt werden
3. max 0.92 g butanol/l h. Alle Produkte Zusammen 1.47 g/l h

Question 21

ABE Produktionsprozess

Answer 21

Folie 16 VL2

Question 22

Wie kann man die Probleme:inhomogeneities, process stability,
difficult metabolic flux angehen?

Answer 22

PAT (Process Analytical Technology) system EloTrace (Automatische elektrooptische Überwachung des physiologischen Zustandes von Bakterien in vivo)

Question 23

Was sind die Ergebnisse vom PAT bei ABE-Prozess?

Answer 23

• größere Zelllänge beim Wechseln von acidogenesis to
  solventogenesis
• größere Zelllänge durch Sporenbildung
• Zellgrößenverkleinerung zu Beginn der Zellyse

Question 24

Was gibt es Allgemeines über die Syngas Fermentation zu sagen?

Answer 24

• basiert auf der anaeroben Umwandlung von Syngas (CO, CO2, H2) zu Acetat, EtOH, Butanol und weiteren Kettenlängen bei verschiedenen Clostridia spp.
• Prinzip von solventogenesis and acidogenesis bleibt, Shift möglich
• Kombinierte oder getrennte Prozesse möglich
• Fermentation wird intensiv untersucht um Kohlenstoffreduzierte Wirtschaft und chemische Industrie zu ermöglichen

Question 25

Welcher Pathway kommt bei der Syngas Fermentation vor?

Answer 25

Wood-Ljungdahl pathway (WLP)(Hydrogen as electron donor and CO2 as acceptor) um acetyl-CoA und Energie zu generieren
sehr Energie aufwändig kleines Naturwunder yooo

Question 26

Was sind die einzelnen Schritte bei der Syngas Fermentation?

Answer 26

• Syngas utilizing MOs conserve energy and fix
  carbon via the acetyl-CoA pathway (or Wood-
  Ljungdahl pathway (WLP))
• Before entering the WLP H2 is converted in to
  reducing equivalents [H] by hydrogenase
• [H] is used to fix carbon molecules into
  biomass and other metabolites
• Two branches of WLP: methyl branch (eastern)
  and carbonyl branch (western)
• 2-3 times more hydrogen needed than CO2
• In the methyl branch CO2 is reduced to
  formate by formate dehydrogenase (FDH) →
  formate is combined with tetrahydrofolate
  (THF)
• The resulting formyl-THF undergoes several
  reductions
• Methyl group is then transferred by corrinoid-
  FeS-protein (Co-FeS-P) to Co-enzyme A and
  combined with carbonyl branch
• THF is recycled back to combine with another
  formate
• Several reducing equivalents are used →
  higher hydrogen demand

Question 27

Was sind die einzelnen Schritte zur Syngas Fermentation im Carbonyl-Zweig?

Answer 27

• Carbonyl branch: CO2 (or CO directly) is
  converted to a carbonyl group by CODH. The
  carbonyl group with CODH binds to acetyl-CoA
  synthase (ACS) to form a CODH-ACS complex
• During acetyl-CoA synthesis the methyl group
  is combined with the carbonyl group in the
  CODH-ACS complex → Acetyl-CoA is
  synthesized
• Acetyl-CoA as basic building block for
  metabolic synthesis (EtOH, acetate, butyrate,
  hexanoate)
• During growth acetyl-CoA is converted to
  acetate (production of one ATP utilized for the
  methyl group synthesis = no net ATP
  generation)
• Energy conservation by proton/sodium motive
  force by ion-translocating H2ase and used by
  ATP-Synthase
• Fast accumulation of acid during exponential
  growth can lead to “acid crash” which inhibits
  solventogenesis, resulting in low alcohol
  production
• Solventogenesis to reduce pH stress →
  formation of alcohols

Question 28

Was sind Aspekte die beim Produktionsprozess der Syngas Fermentation beachtet werden müssen?

Answer 28

• man braucht CO oder CO2 und Gas muss gereinigt werden, weil No2, H2S, So2 die Enzyme beim WLP inhibieren
• Downstream Prozesse mit Destillation (oder gekuppelten Prozessen)
• Der Stoffaustausch zwischen Gas und Flüssigkeit ist ein großer Nachteil (CO und H2 sind in Wasser nur zu 83% und 71% löslich, als die von O2)
• Für large-scale werden airlift reaktoren genutzt
• 3-4 mal teuerer als Bioethanol aus Zucker&raquo_space; lohnt es sich im Kontext von CO2 Recycling??
• Niedrigere T und p im Vergleich zu Fischer-Tropsch (frühere Syngas Synthese??)

Question 29

Syngas Fermentation Prozess:

Answer 29

Folien 31 VL2