EtOH, ABE and Syngas fermentation Flashcards
Welche allgemeinen Infos gibt es zu Ethanol?
- 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»_space; man braucht Alternativen
Welche Stoffwechselwege und Organismen sind in der Produktion von Ethanol involviert?
- Fermentieren von Sucrose/ Stärke (erst zu Glucose durch Hydrolysation) zu EtOH
- Durch Hefe (Saccharomyces cerevisiae) oder Bakterien (Zymomonas mobilis)»_space; Hauptsächlich mittels Hefe
- Reduktionäquivalent von Glycolyse (NAD+»_space; NADH) muss durch Decarboxylierung von Pyruvate und folgender Dehydrogenierung zu EtOH generiert werden
Was sind die Zwischenprodukte von D-Glucose zu Ethanol?
D-Glucose»_space; Pyruvat»_space; Acetaldehyd»_space; Ethanol
(die Pfeile sind: Glykole, Pyruvat-decarboxylase, Alkohol-dehydrogenase)
2ATP und 2CO2 werden gebildet
Aus welchen Schritten besteht ein typischer Prozess der EtOH Fermentation mit Getreide als Substrat?
Fräsen (milling), Verflüssigen (liquefaction), Verzuckerung (saccharification), Fermentation und Destillation (Alkohol extrahieren)
Wie sehen die Schritte bei der typischen EtOH Produktion in Detail aus?
- 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
Welches Substrat hat den höchsten Yield?
Zuckerrohr (Sugar cane)
Wo findet die Fermentation statt?
batch, fed-batch und continuous culture
Was sind Vorteile bei einer Continuous culture?
- 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)
Was passiert mit dem Strain nach langer Betriebszeit?
Starterkulturen werden von wild-Strains dominiert
Zwischen welchen Werten variiert die Produktionsrate bei EtOH?
2.2 bis 2.8 g ethanol/l h
Übersicht vom Prozess Bio-ethanol:
Folie 7 in VL2
Wofür steht ABE?
Acetone-butanol-ethanol Prozess
Was ist die Geschichte hinter ABE?
- 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)
Welche Allgemeine Info wurde über ABE gedroppt?
- 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
Welche Fermentation ist es bei ABE?
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
Was ist das Butanol:Aceton:Ethanol Verhältnis am Ende der ABE Fermentation?
6:3:1
Wie sieht die ABE Produktion aus? Welche Schritte?
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)»_space; Zelltod
- 2.: Solventogene Phase (Stationäre Phase): das meiste der Säure wird rebabsorbiert und zu Butanol und Aceton umgeformt»_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)
Übersicht ABE Pathway
Folie 13 VL2
Was können Gründe zum Solvent Shift sein?
- 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?
(ABE) Welche:
1. Strains werden zur Produktion genutzt?
2. Substrate werden genutzt?
3. Produktionsrate gibt es?
- Produktion von Butanol mit den Klassikern (Clostridium acetobutylicum, C. beijerinckii, C. saccharobutylicum und C. saccharoperbutylacetonicum)
- Rohrzucker, Mais und Manioc. Stärke wird in Zucker gebrochen durch Amylasen von Clostridia; Pentosen können auch genutzt werden
- max 0.92 g butanol/l h. Alle Produkte Zusammen 1.47 g/l h
ABE Produktionsprozess
Folie 16 VL2
Wie kann man die Probleme:inhomogeneities, process stability,
difficult metabolic flux angehen?
PAT (Process Analytical Technology) system EloTrace (Automatische elektrooptische Überwachung des physiologischen Zustandes von Bakterien in vivo)
Was sind die Ergebnisse vom PAT bei ABE-Prozess?
- größere Zelllänge beim Wechseln von acidogenesis to
solventogenesis - größere Zelllänge durch Sporenbildung
- Zellgrößenverkleinerung zu Beginn der Zellyse
Was gibt es Allgemeines über die Syngas Fermentation zu sagen?
- 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
Welcher Pathway kommt bei der Syngas Fermentation vor?
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
Was sind die einzelnen Schritte bei der Syngas Fermentation?
- 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
Was sind die einzelnen Schritte zur Syngas Fermentation im Carbonyl-Zweig?
- 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
Was sind Aspekte die beim Produktionsprozess der Syngas Fermentation beachtet werden müssen?
- 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»_space; lohnt es sich im Kontext von CO2 Recycling??
- Niedrigere T und p im Vergleich zu Fischer-Tropsch (frühere Syngas Synthese??)
Syngas Fermentation Prozess:
Folien 31 VL2
