DE10231029A1

DE10231029A1 - Biological synthesis of methanol from methane, comprises conversion of methane to methanol at temperatures above the boiling point of methanol by fermentation using methanotropic thermophilic microorganisms

Info

Publication number: DE10231029A1
Application number: DE10231029A
Authority: DE
Inventors: Manfred Ringpfeil; Axel Blokesch; Matthias Gerhardt; Monika Wolff; Mark Zittwitz
Original assignee: Biopract GmbH
Current assignee: Biopract GmbH
Priority date: 2001-07-09
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2003-01-23

Abstract

A process for the biological synthesis of methanol comprises conversion of methane to methanol at temperatures above the boiling point of methanol by fermentation using methanotropic thermophilic microorganisms.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Synthese von Methanol unter Einsatz methanotropher, thermophiler Mikroorganismen. The invention relates to a process for the biological synthesis of methanol under Use of methanotrophic, thermophilic microorganisms.

Das Bestreben nach der Einführung umweltgerechter Verfahren zur Erzeugung von Treibstoffen hat die Frage nach ihren biologischen Synthesen aufgeworfen. Unter ihnen nimmt das Methanol insofern eine besondere Stellung ein, als es nicht, wie der entsprechende Kohlenwasserstoff, das Methan oder die höheren Alkohole Ethanol, Propanol oder Butanol, biologisch durch Gärung (Disproportionierung) von Zuckern leicht zugänglich ist. Methanol ist jedoch als Treibstoff für Brennstoffzellen getriebene Fahrzeuge wie auch als Brennstoff für stationär betriebene Brennstoffzellen das Mittel der Wahl, da seine physikalischen und chemischen Eigenschaften es leicht bevorratbar und transportierbar machen und es gegenüber allen anderen organischen Verbindungen mit ähnlichen Eigenschaften das günstigste Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff und Sauerstoff im Molekül aufweist. The effort to introduce environmentally sound processes for the production of Fuels have raised the question of their biological synthesis. Under methanol occupies a special position in that it does not, like that corresponding hydrocarbon, the methane or the higher alcohols ethanol, Propanol or butanol, biologically by fermentation (disproportionation) of sugars is easily accessible. However, methanol is fueled for fuel cells Vehicles as well as fuel for stationary fuel cells Means of choice because its physical and chemical properties make it easy make it stockable and transportable and make it available to everyone else organic compounds with similar properties the most favorable ratio from hydrogen to carbon and oxygen in the molecule.

Synthesen von Methanol gelingen durch chemische Katalyse, wobei insbesondere Kohlenmonoxid/Wasserstoffgemische zur Anwendung kommen. Alle Verfahren zur chemischen Katalyse sind mit bekannten Nachteilen hinsichtlich ihrer Umweltauswirkung verbunden. Methanol can be synthesized by chemical catalysis, in particular Carbon monoxide / hydrogen mixtures are used. All procedures for chemical catalysis have known disadvantages with regard to their Connected to environmental impact.

Bei der Nutzung von Methan für den Aufbau und die Energieversorgung sich von Methan ernährenden mikrobiellen Zellen, sogenannter methanotropher Mikroorganismen, spielt das Methanol als Intermediärprodukt eine Rolle. Es ist bekannt, dass die primäre Oxidation des Methans mit Sauerstoff von solchen Zellen so bewirkt wird, dass die Hälfte des Sauerstoffmoleküls in das Methanmolekül eingeschoben wird, so dass ein Methanolmolekül entsteht, die andere Hälfte jedoch durch ein sogenanntes Coenzym aufgenommen wird, ein Molekül, das zwei leicht umsetzbare Wasserstoffatome enthält, die zur Bildung von Wasser führen. Die methanotrophe Zelle lässt jedoch das Methanol nicht frei, sondern verarbeitet es über weitere Oxidationsschritte zu Formaldehyd, Formiat und Kohlendioxid. Aus dem letzteren Schritt bezieht es die Energie, um Wasser zu spalten und das Coenzym wieder mit Wasserstoff aufzuladen. Die Zelle vermeidet jede Methanolansammlung in sich, indem ihr Methanolsyntheseapparat von seinem Produkt Methanol gehemmt wird. When using methane for the construction and energy supply of Microbial cells that feed methane, so-called methanotrophs Microorganisms, methanol plays a role as an intermediate product. It is known that the primary oxidation of methane with oxygen from such cells it causes half of the oxygen molecule to enter the methane molecule is inserted so that a methanol molecule is formed, but the other half is taken up by a so-called coenzyme, a molecule that easily two contains convertible hydrogen atoms that lead to the formation of water. The However, methanotrophic cells do not release the methanol, but process it about further oxidation steps to formaldehyde, formate and carbon dioxide. From the The latter step involves the energy to split water and the coenzyme recharge with hydrogen. The cell avoids any accumulation of methanol in by inhibiting its methanol synthesis apparatus from its product methanol becomes.

Es ist bekannt, dass mit Cyclopropanol die Weiteroxidation des Methanols in methanotrophen Organismen gehemmt werden kann, Methanol sich aber nicht wesentlich anreichern oder ausgeschieden werden kann, da die erwähnte Produkthemmung auftritt. Außerdem muss dann die Versorgung der Primärreaktion in der methanotrophen Zelle mit dem Coenzym anders als durch die erwähnte Methanoxidationskette sichergestellt werden. Es ist ebenfalls bekannt, dass diese durch Zugabe von Formiat in das die Zelle umgebende Medium bewirkt werden kann. It is known that with cyclopropanol the further oxidation of the methanol in methanotrophic organisms can be inhibited, but methanol does not can be significantly enriched or excreted, as the mentioned Product inhibition occurs. In addition, the primary reaction must then be supplied in the methanotrophic cell with the coenzyme other than that mentioned Methane oxidation chain can be ensured. It is also known that this by adding formate into the medium surrounding the cell can.

Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde ein biologisches Verfahren zur Synthese von Methanol bereitzustellen, welches die oben genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet. The invention was therefore based on the object of a biological method for To provide synthesis of methanol, which the above disadvantages of State of the art overcomes.

Die Erfindung wird gemäß der Patentansprüche realisiert. The invention is implemented according to the claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren greift an dem Punkt der Hemmung der Methanolsynthese durch das Methanol selbst an: Die Umsetzung des Methans zu Methanol erfolgt bei Temperaturen oberhalb der Siedetemperatur des Methanols. Dieses wird auf diese Weise dem System kontinuierlich entzogen. The inventive method takes effect at the point of inhibition Methanol synthesis by the methanol itself: The conversion of methane to Methanol takes place at temperatures above the boiling point of the methanol. In this way, this is continuously withdrawn from the system.

Das vorliegende Verfahren setzt methanotrophe Mikroorganismen ein, die in der Lage sind, bei Temperaturen über dem Siedepunkt des Methanols noch ihren Stoffwechsel aufrecht zu erhalten. Diese werden aus natürlichen Habitaten thermophiler Bakterien, wie z. B. heißen Quellen isoliert. Den Mikroorganismen werden in bekannter Weise Methan und Nährstoffe und nach ihrer Vermehrung Cyclopropanol oder andere bei Anwendungstemperatur wirksame Inhibitoren der Methanolumsetzung zugeführt. Die so entstandene mikroorganismenhaltige Suspension wird in einen Reaktor überführt, dessen Arbeitstemperatur bei 65-95°C liegt. Diesem Reaktor wird kontinuierlich Methan, Sauerstoff und Formiat zugeführt und das den Reaktor gasförmig verlassende Methanol durch Kühlung aufgefangen und in bekannter Weise zu Methanol mit Treibstoffgüte aufgearbeitet. The present method uses methanotrophic microorganisms, which in the Are able, at temperatures above the boiling point of the methanol still their Maintain metabolism. These are made from natural habitats thermophilic bacteria, such as B. hot springs isolated. The microorganisms are known methane and nutrients and after their multiplication Cyclopropanol or other inhibitors of the effective at application temperature Methanol conversion fed. The resulting microorganism Suspension is transferred to a reactor, the working temperature at 65-95 ° C lies. Methane, oxygen and formate are continuously fed to this reactor and the methanol leaving the reactor in gaseous form is collected by cooling and worked up in a known manner to methanol with fuel quality.

Eine Besonderheit des Verfahrens ist, dass die entstehende Reaktionswärme zur Aufrechterhaltung der Arbeitstemperatur des Reaktors eingesetzt wird. A special feature of the process is that the heat of reaction that arises Maintaining the working temperature of the reactor is used.

Bevorzugt und eine Besonderheit des Verfahrens ist, dass das Formiat in einem besonderen Teil des Reaktors, der durch eine für kleine Moleküle durchlässige, für Mikroorganismen jedoch unpassierbare Membran abgetrennt ist, elektrochemisch aus dem in der Lösung vorhandenen Kohlendioxid hergestellt und den Mikroorganismen zur Aufnahme aus der Lösung angeboten wird. Preferred and a special feature of the method is that the formate in one special part of the reactor which is permeable to small molecules, for Microorganisms, however, impassable membrane is separated, electrochemically made from the carbon dioxide present in the solution and the Microorganisms for absorption from the solution is offered.

Besonders bevorzugt und eine weitere Besonderheit des Verfahrens ist, dass die gebildete und zur Methanolsynthese eingesetzte Biomasse entsprechend ihrer Methanbildungsaktivität wieder aus dem Reaktor ausgeschleust und für weitere Verwendungszwecke als Proteinquelle aufgearbeitet wird. It is particularly preferred and a further peculiarity of the method that the formed and used for methanol synthesis according to their biomass Methane formation activity removed from the reactor and for more Purposes as protein source is processed.

Ganz besonders bevorzugt ist es, dass anstelle von Luft mit Sauerstoff angereicherte Luft bzw. reiner Sauerstoff mit dem Methan vermischt und dem Reaktor zugeführt wird, dass das gebildete Kohlendioxid vor oder nach der Methanolabtrennung abgetrennt und aufgearbeitet wird und das Sauerstoff/Stickstoff/Methan-Gemisch bei konstant gehaltenem Mischungsverhältnis im Kreislauf gefahren wird, der Reaktor zur Erhöhung der Stoffübergänge aus der Gas- in die flüssige Phase unter einem Druck gehalten wird, der die Methanolhemmung auf die mikrobielle Methanolbildung noch nicht wirksam werden lässt. It is very particularly preferred that oxygen-enriched instead of air Air or pure oxygen is mixed with the methane and fed to the reactor will that the carbon dioxide formed before or after the methanol separation is separated and worked up and the oxygen / nitrogen / methane mixture the mixture is kept constant in the circuit, the reactor to increase the mass transfers from the gas to the liquid phase under one Pressure is maintained which the methanol inhibition on the microbial methanol formation not yet take effect.

Claims

1. A process for the biological synthesis of methanol, characterized in that methane is converted to methanol at temperatures above the boiling point of methanol by methanotrophic, thermophilic microorganisms in a fermentation process.

2. The method according to claim 1, characterized in that the methanol formed is continuously withdrawn from the system and by cooling is caught.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the conversion of methanol via formaldehyde and formate to carbon dioxide the addition of cyclopropanol or others at application temperatures effective inhibitors is prevented.

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the resulting heat of reaction to maintain the working temperature of the reactor is used.

5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that formate is added to the system.

6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that Electrochemical formate from carbon dioxide which is present in the system is won.

7. The method according to claim 1 to 6, characterized in that Formate in a separate part of the reactor through one for small molecules permeable membrane that is impassable for microorganisms is separated, will be produced.

8. The method according to claim 1 to 7, characterized in that the biomass formed is discharged out of the reactor and for more Purposes as protein source is processed.

9. The method according to claim 1 to 8, characterized in that methane is mixed with air.

10. The method according to claim 1 to 8, characterized in that methane is added in a mixture with oxygen-enriched air.

11. The method according to claim 1 to 8, characterized in that methane is added in a mixture with oxygen.

12. The method according to claim 1 to 11, characterized in that the gas mixture in the circuit at constant mixing ratios used gases is guided.

13. The method according to claim 1 to 12, characterized in that the reactor is operated under pressure.

14. The method according to claim 1 to 13, characterized in that the reactor is operated continuously.