Gasfermentation: CO₂ als Kohlenstoffquelle

Die Gasfermentation — die biologische Umwandlung von CO₂, CO, H₂ oder Synthesegas in Chemikalien, Kraftstoffe und Materialien — ist längst keine Laborkuriosität mehr: kommerzielle Anlagen sind heute in Betrieb. Die Technologie umgeht die landwirtschaftliche Lieferkette vollständig und verwandelt industrielle Abgase in Produkte mit negativer CO₂-Bilanz. Was sich geändert hat, sind die ingenieurtechnischen Plattformen, die ihre Produktivität wirtschaftlich relevant machen — und das ist genauso eine Geschichte der Bioreaktorauslegung wie eine der Mikrobiologie.

Die Organismen: drei Stoffwechselstrategien

Die Gasfermentation ist keine einzelne Technologie, sondern drei unterschiedliche mikrobielle Strategien mit einer gemeinsamen Einschränkung: Kohlenstoff und Energie aus gasförmigen Molekülen zu gewinnen.

• Acetogene (Clostridium ljungdahlii, C. autoethanogenum): nutzen den Wood-Ljungdahl-Weg, um CO und CO₂ zu Ethanol, Acetat oder 2,3-Butandiol zu fixieren. Sie sind die Grundlage des kommerziellen Verfahrens von Hüttengas zu Ethanol.
• Knallgasbakterien (Cupriavidus necator): nutzen H₂ und CO₂ über den Calvin-Zyklus, um PHA-Biokunststoffe oder Einzellerprotein zu erzeugen.
• Hydrogenotrophe Methanogene: wandeln CO₂ + H₂ in Biomethan um (Power-to-Methane), der kommerziell reifste Weg.

Das kLa-Problem: schlecht lösliche Gase

Die zentrale ingenieurtechnische Herausforderung ist der Stofftransport, nicht die Mikrobiologie. CO und H₂ gehören zu den am schlechtesten wasserlöslichen Gasen, mit Henry-Konstanten vergleichbar mit Sauerstoff. Die Produktivitätsgrenze wird fast vollständig vom kLa gesetzt, nicht von der mikrobiellen Kinetik.

Fünf Strategien erhöhen den kLa für schlecht lösliche Gase:

1. Erhöhter Behälterdruck (2–10 bar): steigert die gelöste Gaskonzentration über das Henry-Gesetz.
2. Microsparger (Poren von 5–50 µm): feine Blasen mit weit größerer Grenzfläche.
3. Behälter mit hohem Höhen-Durchmesser-Verhältnis (H/T 2–4): maximieren die Verweilzeit der Blasen.
4. Gasrückführung: Nutzungsgrad über 90 %.
5. Optimierte Rührung für den Blasenzerfall.

Anforderungen an die Bioreaktorauslegung

Der Betrieb mit diesen Gasen stellt Anforderungen, die über den Standard hinausgehen:

• Druckbehälter zertifiziert nach PED/ASME BPE, mit gasdichten Wellendichtungen.
• ATEX-Zertifizierung: CO (UEG 12,5 %) und H₂ (UEG 4,0 %) sind brennbar, daher Zone 1/2 für Behälter und Gasweg.
• Mehrgasregelung mit 3–5 unabhängigen MFCs und Abgasanalyse.
• Werkstoffe: elektropoliertes 316L mit Ra ≤ 0,4 µm deckt alle biologischen Anwendungen ab.

Fazit

Die Gasfermentation ist kommerziell erprobt und wächst, getrieben von sinkenden Kosten für grünen Wasserstoff und von der CO₂-Bepreisung in der EU. Sie erfordert jedoch eigens entwickelte Bioreaktorplattformen — Behälter, Steuerung, Gassystem und ATEX-Zertifizierung müssen gemeinsam ausgelegt werden. Genau auf diese Art maßgeschneiderter Technik ist Vinci Biotechnologies spezialisiert.