TY - THES

T1 - Design einer Demonstrationsanlage zur photoautotrophen PHB-Produktion

AU - Panuschka, Sophie Beatrice

N1 - gesperrt bis 21-04-2021

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - Steigende Kosten und limitierte Vorräte von fossilen Rohstoffen und das gestiegene Interesse der Gesellschaft an Nachhaltigkeit führen zu Bemühungen, Produkte aus fossilen Ressourcen wie Treibstoff oder auch Kunststoff durch alternative, umweltfreundliche Verfahren herzustellen. Ein solcher Ansatz wird im CO2USE-Projekt verfolgt, bei dem photoautotroph wachsende Mikroorganismen während der Wachstumsphase den notwendigen Kohlenstoff aus dem Kohlendioxid von Abgasströmen beziehen sollen. Unter Nährstofflimitierung erzeugen diese Mikroorganismen anschließend Polyhydroxybuttersäure (PHB), einen biobasierten und abbaubaren Polyester. Durch die Vergärung der Restbiomasse und Rückführung der nährstoffreichen, flüssigen Phase des Gärrestes ergibt sich ein ressourcenschonender und nachhaltiger Gesamtprozess. Bisher wurde dieser innovative Prozess ausschließlich im Labormaßstab durchgeführt, weshalb in der Vergangenheit keine Rückschlüsse und Anhaltspunkte für die Prozesskosten verfügbar waren. Um auch in diesem Bereich eine Datengrundlage zu erhalten, wurden die Einzelprozesse auf den Maßstab einer Demonstrationsanlage hochgerechnet. Durch die Simulation des Produktionsprozesses in einem Tabellenkalkulationsprogramm unter Einsatz von Zirkelbezügen, der Verwendung von Literatur- und Projektdaten und einer Adaption der Annuitätenmethode konnten erste Richtwerte für die Herstellungskosten des erzeugten PHBs und die einzelnen Kostenfaktoren der gesamten Anlage ermittelt werden. Dabei werden zwei verschiedene Kultivierungssysteme simuliert, um zusätzlich einen Aufschluss über die spezifischen Vor- und Nachteile dieser Systeme im ökonomischen Vergleich zu geben. Die Analyse der berechneten Ergebnisse zeigt, dass bezüglich aller Kostenfaktoren ein offenes Kultivierungssystem mit dünner Suspensionsschicht einem tubulären Photobioreaktor überlegen ist. Nichtsdestotrotz sind die Herstellungskosten gemäß dieser ersten Analyse für beide Varianten sehr hoch und liegen um zwei Größenordnungen über jenen von heterotroph erzeugtem PHB. Für zukünftige Bemühungen eine photoautotrophe PHB-Produktion zu realisieren konnten mit dieser Arbeit die folgenden Erfolge erzielt werden: die einflussreichsten Kostenfaktoren konnten identifiziert werden und dienen als erste Anhaltspunkte für weitere Arbeiten und Verbesserungen.

AB - Steigende Kosten und limitierte Vorräte von fossilen Rohstoffen und das gestiegene Interesse der Gesellschaft an Nachhaltigkeit führen zu Bemühungen, Produkte aus fossilen Ressourcen wie Treibstoff oder auch Kunststoff durch alternative, umweltfreundliche Verfahren herzustellen. Ein solcher Ansatz wird im CO2USE-Projekt verfolgt, bei dem photoautotroph wachsende Mikroorganismen während der Wachstumsphase den notwendigen Kohlenstoff aus dem Kohlendioxid von Abgasströmen beziehen sollen. Unter Nährstofflimitierung erzeugen diese Mikroorganismen anschließend Polyhydroxybuttersäure (PHB), einen biobasierten und abbaubaren Polyester. Durch die Vergärung der Restbiomasse und Rückführung der nährstoffreichen, flüssigen Phase des Gärrestes ergibt sich ein ressourcenschonender und nachhaltiger Gesamtprozess. Bisher wurde dieser innovative Prozess ausschließlich im Labormaßstab durchgeführt, weshalb in der Vergangenheit keine Rückschlüsse und Anhaltspunkte für die Prozesskosten verfügbar waren. Um auch in diesem Bereich eine Datengrundlage zu erhalten, wurden die Einzelprozesse auf den Maßstab einer Demonstrationsanlage hochgerechnet. Durch die Simulation des Produktionsprozesses in einem Tabellenkalkulationsprogramm unter Einsatz von Zirkelbezügen, der Verwendung von Literatur- und Projektdaten und einer Adaption der Annuitätenmethode konnten erste Richtwerte für die Herstellungskosten des erzeugten PHBs und die einzelnen Kostenfaktoren der gesamten Anlage ermittelt werden. Dabei werden zwei verschiedene Kultivierungssysteme simuliert, um zusätzlich einen Aufschluss über die spezifischen Vor- und Nachteile dieser Systeme im ökonomischen Vergleich zu geben. Die Analyse der berechneten Ergebnisse zeigt, dass bezüglich aller Kostenfaktoren ein offenes Kultivierungssystem mit dünner Suspensionsschicht einem tubulären Photobioreaktor überlegen ist. Nichtsdestotrotz sind die Herstellungskosten gemäß dieser ersten Analyse für beide Varianten sehr hoch und liegen um zwei Größenordnungen über jenen von heterotroph erzeugtem PHB. Für zukünftige Bemühungen eine photoautotrophe PHB-Produktion zu realisieren konnten mit dieser Arbeit die folgenden Erfolge erzielt werden: die einflussreichsten Kostenfaktoren konnten identifiziert werden und dienen als erste Anhaltspunkte für weitere Arbeiten und Verbesserungen.

KW - Biokunststoff

KW - PHB

KW - Cyanobakterien

KW - Kohlendioxidverwertung

KW - Demonstrationsanlage

KW - Nährstoffrückführung

KW - bioplastics

KW - PHB

KW - cyanobacteria

KW - demonstration plant

KW - carbondioxide use

KW - nutrient recycling

M3 - Masterarbeit

ER -