Energietechnik

Unser Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von Technologien, um nicht essbare Biomasse wie Abfallholz, Gülle/Mist oder Maisstroh in hochwertige Chemikalien und Energieträger umzuwandeln.

Die Verknappung der fossilen Ressourcen und die notwendige Reduktion des Ausstosses von Treibhausgasen machen die Nutzung von Lignocelluose zur Produktion von Chemikalien und flüssigen Energieträgern für den Luft- und Schwerverkehr sowie von Methan zur saisonalen Energiespeicherung notwendig.

Leistungsangebot

Das Labor für Bioenergie und Biochemikalien hat sich auf die biotechnologische Umwandlung von Lignocellulose wie Abfälle aus der Land- und Forstwirtschaft spezialisiert. Unser Leistungsangebot umfasst:

  • Quantitative Analyse der Zusammensetzung von pflanzlicher Biomasse (Hemi-/Cellulose, Lignin, Proteine, Fette)
  • Optimierung der Dampfvorbehandlung für verschiedene Biomassen
  • Hochdruck Extraktionen von Biomasse
  • Enzymatische Hydrolyse und Fermentation von Lignocellulose
  • Strikt anaerobe Fermentationstechnik
  • Bestimmung des BioMethanPotentials und des Abbaus der einzelnen Substanzen während der anaeroben Vergärung

Kompetenzen

Das Forschungsgebiet des Labors für Bioenergie und Biochemikalien umfasst die Entwicklung von biotechnologischen Verfahren, um Lignocellulose in hochwertige Chemikalien und Energieträger umzuwandeln. Unsere zwei Hauptthemen in diesem Bereich sind einerseits Vorbehandlungstechnologien von Biomasse und andererseits die konsolidierte Bioprozesstechnik basierend auf einem Konsortium von Mikroorganismen zur direkten Umwandlung von Lignocellulose zu Chemikalien.

Vorbehandlung von Biomasse

Eine effiziente biochemische Umwandlung von Lignocellulose zu Chemikalien erfordert eine Vorbehandlung, um die Verknüpfung der polymeren Strukturen in der Biomasse aufzubrechen. Erst dadurch wird Enzymen der Zugang zu der Cellulose ermöglicht. Wir befassen uns mit der Dampfexplosion als Vorbehandlungsverfahren. Diese Technologie wird heute in den ersten grosstechnischen Cellulose-Ethanol-Werken angewandt. Wir untersuchen Herausforderungen wie die Optimierung der Vorbehandlung, die Fraktionierung der einzelnen Biomassebestandteile oder das kontinuierliche Einbringen von abrasiver Biomasse in den Hochdruckreaktor.

Konsolidierte Bioprozesstechnik

Unter dem Begriff konsolidierte Bioprozesstechnik versteht man heute meist gentechnisch veränderte «super bugs», die gleichzeitig cellulolytische Enzyme herstellen und die freigesetzten Zucker zu einem Zielprodukt fermentieren können. Wir haben in unserem Labor einen konsolidierten Bioprozess entwickelt, der auf einem mikrobiellen Konsortium basiert. Dazu wurde ein spezieller Reaktor entworfen, welcher erfolgreich lokale ökologische Nischen schafft, die das Zusammenleben von Mikroorganismen mit unterschiedlichen abiotischen Anforderungen (z.B. Sauerstoff) ermöglicht. 

Infrastruktur

Das Labor für Bioenergie und Biochemikalien ist gut ausgerüstet und verfügt neben der Standardeinrichtung eines biotechnologischen Labors über folgende Gerätschaften: 

  • GC Agilent 7890 ausgerüstet mit FID- und TCD-Detektoren und einem mit GERSTEL MultiPurpose Sampler (MPS)
  • HPLC Waters alliance 2695 mit RI- und PDA-Detektoren
  • IC Dionex mit pulsed amperometric detector
  • 8 Infors-HT Labfors5 BioEtOH Fermenter (3.0L)
  • 4 Infors-HT Multifors Fermenter (0.5L)
  • 6 Biogasreaktoren (1.5L) mit pH-, Redox-, Methan- und Volumenstrom-Sensor
  • 19 & 150L bioengineering Fermenter
  • Sterilbank Labconco
  • Anaerobier LABstar Glove Box Workstation 
  • 3 Infors-HT Inkubationsschüttler
  • Autoklav Fedegari
  • 2 Zentrifugen Eppendorf
  • UV/Vis-Photometer Hach DR5000
  • CHN-Analysator LECO 628 Serie
  • Steam-gun (IAP, Graz, A)

Projekte


Lignocellulosehaltige Biomasse stellt eine attraktive Quelle zur Herstellung von nachhaltigen Treibstoffen und wertvollen Chemikalien dar. Die Verwendung von land- und forstwirtschaftlichen Nebenprodukten wie z.B. Maisstroh oder Restholz ist besonders attraktiv, da bei ihnen keine konkurrierenden Nutzungen für die Lebens- oder Futtermittelproduktion vorliegen. Ein wichtiger Faktor für die Akzeptanz in der Bevölkerung ist zudem, dass erneuerbare Treibstoffe und Chemikalien herkömmliche fossile Energieträger direkt ersetzen können und z.B. keine neuen Motoren erfordern. Das Ziel des Projektes ist die Produktion von nachhaltigen Treibstoffen und Chemikalien (Alkane und alpha-Olefine) basierend auf land-und forstwirtschaftlichen Nebenprodukten durch eine Kombination von aufeinanderfolgenden biochemischen und katalytischen Umwandlungsschritten. Die drei Subprojekte befassen sich mit den beiden wichtigsten Umwandlungsverfahren sowie der Nachhaltigkeitsbewertung entlang der gesamten Wertschöpfungskette.

Sustainability evaluation Bild vergrössern

Wegen seiner schlechten Vergärbarkeit wird in der Schweiz Hofdünger (Gülle und Mist verschiedener Nutztiere) kaum zur Produktion von Biogas verwendet. Mit einem verbesserten Vergärungsprozess soll dessen Biogasausbeute signifikant erhöht werden. Dafür entwickeln wir ein Verfahren, mit dem sich die bisher nicht verwertbaren Inhaltstoffe des Hofdüngers mikrobiell aufschliessen und zugänglich machen lassen. Das Projekt wird vom Bundesamt für Energie finanziert.

Mikrobielle Strategie zur Erhöhung der Biogasausbeute von Hofdünger Bild vergrössern

In diesem Projekt untersuchen und optimieren wir die Dampfexplosion von Rindergülle als potenzielles Vorbehandlungsverfahren, um die Biogasausbeute in der anschliessenden anaeroben Vergärung zu erhöhen. Ziel des Projektes ist es, ein detailliertes Verständnis der Effekte der Vorbehandlung auf die einzelnen Bestandteile der Gülle und die erzielbare Biogasausbeute zu erhalten. Zudem wird ein neuartiger Reaktor für die Vorbehandlung entwickelt, welcher die Rückgewinnung von Hochtemperaturwärme erlaubt. Das Projekt wird im Rahmen des Swiss Competence Center for Energy Research und des «ERA-NET Bioenergy» gefördert.

Dampfvorbehandlung von Rindergülle zur Verbesserung der anaeroben Verdaubarkeit Bild vergrössern

Der konsolidierte Bioprozess, in dem ein mikrobielles Konsortium vorbehandelte feste Biomasse direkt in eine Chemikalie wie Ethanol umwandelt, ist auf Labormassstab (3 Liter) etabliert. In einem nächsten Schritt soll er auf einen kleinen Pilot-Massstab (200 Liter) skaliert werden. Für eine zielgerechtete Auslegung des Prozesses auf grösserem Massstab erstellen und validieren wir ein mathematisches Modell. Das Projekt wird vom Swiss Competence Center for Energy Research finanziert.

Publikationen

  • Shahab, R., S. Brethauer, J. Luterbacher and M. Studer (2018). ‘Consolidated bioprocessing of lignocellulosic biomass to lactic acid by a synthetic fungal-bacterial consortium’ (2018) Biotechnology and Bioengineering 115(5): 1207-1215
  • Xiros, C. and M. Studer (2017) 'Enhancement of cellulolytic effciency of fungal biofilms for consolidated bioprocessing of plant biomass.' Frontiers in Microbiology 8: 1077
  • Pielhop, T., C. Reinhard, C. Hecht, L. Del Bene, M. Studer and P. Rudolf von Rohr (2017). 'Application potential of a carbocation scavenger in autohydrolysis and dilute acid pretreatment to overcome high softwood recalcitrance.' Biomass and Bioenergy 105: 164-173
  • Seidel, CM., T. Pielhop, M. Studer and P. Rudolf von Rohr (2017). 'The influence of the explosive decompression in steam-explosion pretreatment on the enzymatic digestibility of different biomasses.' Faraday Discussions 202: 269-280
  • Brethauer, S., R. Shahab and M. Studer (2017). 'Simultaneous saccharification and fermentation of steam pretreated beech wood with in situ Irpex lacteus treatment.' Bioresource Technology 237: 135-138
  • Pielhop, T., J. Amgarten, M. Studer and P. Rudolf von Rohr (2017). 'Pilotscale steam explosion pretreatment with 2-naphthol to overcome high softwood recalcitrance.' Biotechnology for Biofuels 10 (130)
  • Pielhop, T., J. Amgarten, P. Rudolf von Rohr and M. Studer (2016). 'Steam explosion pretreatment of softwood: The effect of the explosive decompression on enzymatic digestibility.' Biotechnology for Biofuels 9(152)
  • Brethauer, S., and M. Studer (2015). 'Biochemical conversion processes of lignocellulosic biomass to fuels and chemicals - A Review.' CHIMIA 69(10):572-581
  • Thomas, P., G.O. Larrazabal, M. Studer, S. Brethauer, C.M. Seidel and P. Rudolf von Rohr (2015). 'Lignin repolymerisation in spruce autohydrolysis pretreatment increases cellulase deactivation.' Green Chemistry 17(6): 3521-3532
  • Brethauer, S., M. Studer, and C.E. Wyman (2014). 'Application of a slurry feeder to 1 and 3 stage continuous simultaneous saccharification and fermentation of dilute acid pretreated corn stover.' Bioresource Technology 170: 470-476
  • Brethauer, S., M. Studer (2014). 'Consolidated bioprocessing of lignocellulose by a microbial consortium.' Energy & Environmental Science 7(4): 1446-1453

Team

Team Forschungsgruppe Energietechnik Bild vergrössern

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