Etablierung von Biofilm-Modellen als Werkzeug zur Untersuchung und Optimierung der Produktion von mittelkettigen Fettsäuren und Alkoholen in Membran-Biofilm-Reaktoren

• Antragstellerin: Professorin Dr. Susanne Lackner
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 559573880

Das Ziel dieses Projektes ist es, mathematische Modelle zu entwickeln, die für die Optimierung und das Upscaling von Membranbiofilmreaktoren eingesetzt werden können. Als System soll ein Zwei-Spezies Biofilm zur anaeroben Syngas-Fermentation etabliert werden. Dazu werden die beiden Bakterien Clostridium autoethanogenum und Clostridium kluyveri verwendet. C. autoethanogenum kann Acetat mit Ethanol als Nebenprodukt aus CO produzieren (Acetogenese). Aus der Solventogenese entsteht über eine indirekte Produktion Ethanol, Butanol und Hexanol auf der Grundlage der entsprechenden organischen Säuren (Acetat, Butyrat bzw. Caproat). Die Zwischenprodukte Butyrat und Caproat werden von C. kluyveri unter Verwendung von Ethanol und Acetat als Substrate hergestellt.Kernstück des Projektes ist die Entwicklung von 1D und 2D Biofilmmodellen für die Etablierung dieses Biofilmsystems und für die Optimierung der Produktausbeute. Dazu werden die Modelle iterativ mit gezielten Laborversuchen kalibriert und soweit möglich validiert. Die biokinetischen Zusammenhänge werden in einem 1D-Biofilmmodel untersucht, welches dann auch genutzt wird, um die Betriebsstrategie für den Membranbiofilmreaktor zu optimieren. Die 2D Modelle werden für Untersuchungen bezüglich des Upscalings und der Entwicklung von Membranmodulen herangezogen. Dazu erfolgt eine Kopplung von Stofftransportprozessen mit unterschiedlichen Modulgeometrien, Fließgeschwindigkeiten und Biofilmwachstum. Zusätzlich werden gezielte Versuche durchgeführt, um die Biofilmablösung (Detachment) mathematisch beschreiben zu können und um die optimale Biofilmdicke einzustellen.Die Modelle werden in Aquasim und COMSOL Multiphysics umgesetzt, die begleitenden Laborversuche bestehen aus Batchversuchen zur Charakterisierung der Bakterien, dem Betrieb von Biofilmreaktoren (Fließzellen und Hohlfaser-Membranbiofilmreaktoren) im Labormaßstab und der begleitenden Analytik (chemische Analytik der Substrate und Produkte, Online-Gasmonitoring und Konfokale Laser Scanning Mikroskopie).

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2494: Produktive Biofilmsysteme
• Internationaler Bezug: Saudi-Arabien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Cristian Picioreanu