Entwicklung und Charakterisierung einer fermentativen Oxidation von Butan im Blasensäulenreaktor

Abstract

Butane is an abundant side product of oil and gas production. Today it is mostly burned for energy and heat production. The chemical syntheses require high temperatures and pressures and is less selective. The biocatalytic reaction offers a selective way to convert butane to value products under low temperature and pressure. The Alkane-BGT Monoxygenase enzyme system expressed in E. coli offers a robust and fast model system for the microbial butane oxidation in lab scale. At first the transport limited process is established in a 2-liter bubble column with control system and under safety requirements obligatory when working with butane-air mixtures. Further, the process is characterized regarding the relevant process parameters gassing rate, temperature, pressure and butane content. The transferability of the process via the kLa value is demonstrated. The determined optimum could be validated and volumetric productivities of up to 9.3 mmol·L-1·h-1 could be reached. The scale up potential is discussed as a first step to an industrial oxidation of butane.

Butan fällt als Nebenprodukt bei der Raffinierung von Erdöl an und wird größtenteils zur Energie- und Wärmegewinnung verfeuert. Das in E. coli exprimierte Alkane-BGT-Monoxygenase Enzymsystem ist dabei ein robustes Modellsystem mit hoher Butanaufnahmerate, um die fermentative Oxidation unter moderaten Prozessbedingungen zu betreiben. Das Hauptziel der Arbeit war die Etablierung und Charakterisierung der fermentativen Oxidation von Butan im Blasensäulenreaktor. Reaktor (2 L) und Prozessleitsystem wurden ausgelegt und konstruiert, wobei Sicherheitsaspekte in der Handhabung von Butan-Luft-Gemischen im Vordergrund standen. Die relevanten Prozessparameter Begasungsrate, Druck, Temperatur und Butangehalt wurden variiert und der Einfluss auf die Zielgrößen volumetrische Produktivität und Ausbeute bestimmt. Dabei wurde die Zellaktivität in den Experimenten hinreichend hoch gewählt, sodass der Butaneintrag ins Medium stets limitierend war. Die Begasungsrate wurde dabei zwischen 0,25 L·min-1 (0,125 vvm) und 1,5 L·min-1 (0,75 vvm), die Temperatur zwischen 25 °C und 40 °C, der Druck zwischen 1,1 bar (a) und 1,5 bar (a) und der Butangehalt zwischen 14 % v/v und 28 % v/v variiert. Im betrachteten Prozessfenster stieg die volumetrische Produktivität mit der Begasungsrate um 290 %, mit zunehmender Temperatur um 270 % und durch die Erhöhung des Druckes konnte ein Anstieg der volumetrischen Produktivität von 160 % erreicht werden. Mit den gemessenen kLa-Werten ergibt sich für die Prozessparameter Begasungsrate, Druck und Temperatur eine Übertragbarkeit zu dem mit der volumetrischen Produktivität berechneten kLa-Wert mit einem Übertragungsfehler bei unter ± 5 h-1. Die Erhöhung des Butananteils resultierte in einer marginalen Erhöhung der Produktivität. Hier bedarf es weiterer Validierung, jedoch bringt die Erhöhung dieses Prozessparameters nicht die erwartete Produktivitätszunahme. Mit den Trends der Charakterisierung wurde eine Berechnungsvorschrift für die volumetrische Produktivität anhand der Prozessparameter erstellt. Es erfolgte eine Validierung des Optimums im Prozessfenster mit einem relativen Fehler von < 1 %. Dabei konnte eine volumetrische Produktivität von 9,3 mmol·L-1·h-1 erreicht werden bei einer Ausbeute von 2,7 %. Um eine erste Abschätzung für eine Skalierung zu ermöglichen, wurde das Prozessvolumen um 150 %, bei gleichem Innendurchmesser, auf 5 L erhöht (H/D = 12). Dabei konnte gezeigt werden, dass durch die Erhöhung der Verweilzeit der Gasblasen eine Erhöhung der Ausbeute um 82 % auf über 5 % erreicht werden konnte. Eine erste theoretische Abschätzung hin zu Blasensäulenhöhen von 20 Metern mit 3 bar am Säulenboden zeigte, dass auch im idealisierten Fall für hohe Ausbeuten bei industriell relevanter volumetrischer Produktivität eine Rezyklierung des Butans notwendig wird. Deshalb wurde ein angepasstes Reaktorkonzept für den Labormaßstab vorgeschlagen, bei dem neben einem Umstieg zu einem Rührkesselreaktor zudem eine Butanrückführung installiert ist. Die in dieser Arbeit gewonnenen Charakterisierungsdaten und Validierungen, die Übertragbarkeit mittels kLa-Messung und das vorgeschlagene Reaktorkonzept bilden dabei die Basis für eine Etablierung der fermentativen Butanoxidation im Industriemaßstab