WO2018010741A1 - Process for the biological generation of methane - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a process for the biological production of methane.
- Methane is an important source of energy as well as an important source for the chemical industry.
- Methane is mainly produced from natural gas, the main component of which is.
- natural gas the main component of which is.
- fossil deposits are exploited, in which mostly natural gas and oil are present together. Such deposits are found, for example, in Russia, Saudi Arabia, North America, China and Norway, often under the seabed, for example in the North Sea.
- an environmentally friendly and inexpensive process for producing methane on the one hand waives the use of fossil deposits and on the other hand offers the opportunity to harness the surplus energy generated in alternative energy production.
- the above object is achieved with the features of claim 1.
- methanogenesis generation of methane from the generated hydrogen and carbon dioxide (CO2) by methanogenesis bacteria (methanogenesis),
- peptides with hydrogenase activity from water, hydrogen and oxygen.
- oxygen generated by the peptides with hydrogenase activity in the first step is separated and can be put to other uses.
- hydrogen generated in the first step is separated and can be put to other uses.
- methane is now generated in a second step from the hydrogen produced and with the addition of carbon dioxide through the use of suitable methanogenesis bacteria.
- the carbon dioxide used can be obtained from the ambient atmosphere, for example by an air liquefaction process with subsequent formation of dry ice. This reduces the proportion of greenhouse-active carbon dioxide in the atmosphere.
- carbon dioxide can be used from industrial or combustion processes, which directly reduces the carbon dioxide load on the atmosphere.
- the methane produced can be separated from the remaining educts of hydrogen and carbon dioxide and possibly liquefied.
- isolated peptides having hydrogenase activity are selected from the group consisting of: hydrogenases; Hydrogenase-like peptides; Hydrogenase variantn; and fragments or combinations thereof, used for hydrogen production.
- synthetic or recombinant peptides having hydrogenase activity are selected from the group consisting of: hydrogenases; Hydrogenase-like peptides; Hydrogenase variantn; Hydrogenase Mimics; and fragments or combinations thereof, used for hydrogen production.
- the term "peptides with hydrogenase activity" hydrogenases, hydrogenase-like peptides, hydrogenase variants, hydrogenase mimics and fragments or combinations thereof are explicitly included.
- Hydrogenases are enzymes that catalyze the reversible reduction of protons to hydrogen with a redox partner (hydrogenation).
- the process according to the invention makes it possible, in comparison to processes for the biological production of hydrogen by algae, to avoid to a large extent both the complex mechanical mixing and the expensive purification of the hydrogenereactor with partly highly polluting detergents.
- the oxygen sensitivity of the hydrogenases may be an obstacle to their direct use for hydrogen production.
- not all hydrogenases are sensitive to oxygen and oxygen-insensitive (oxygen-resistant) hydrogenases are known.
- Oxygen-insensitive hydrogenases are "peptides with hydrogenase activity" within the meaning of the present invention.
- oxygen-resistant with respect to the hydrogenase activity of the peptides of the invention includes both peptides which, at an oxygen content in the reaction mixture of ⁇ 0.8% by volume, do not undergo any reduction in their hydrogenase activity as well as peptides which at an oxygen content in the reaction mixture of ⁇ 0.8% by volume experience a reduction in their hydrogenase activity, but this reduction is less than 50% and the peptides remain usable in the process according to the invention due to the presence of various metals in the active center currently four Hydrogenase types differentiated: iron [Fe] or [Fe Fe], nickel-iron [Ni Fe], nickel-iron selenium [Ni Fe Se] and metal-free hydrogenases (which, however, require a metal-containing cofactor for catalysis).
- Hydrogenases from algae usually belong to the [Fe], [Fe Fe] or [Ni Fe] hydrogenase types, which have particularly advantageous conversion rates These hydrogenases are also referred to as H (hydrogen activating) clusters and typically contain six iron atoms. In [Ni Fe] hydrogenases, in addition to iron, nickel also occurs in the active center.
- Peptides with hydrogenase activity in the context of the present invention include peptides that can be assigned to one of the known classes of hydrogenases due to the constellation of metal ions in the active center, but also peptides in which one or more of the metal ions are replaced by a replacement material continue to catalyze the reduction of protons to hydrogen with a redox partner.
- hydrogenase-like peptides is to be understood, which inter alia includes the peptides with hydrogenase activity which have one or more structures which are not regarded as typical structural elements of a hydrogenase.
- Hydrogenase-like peptides ", peptides with hydrogenase activity, due to their combinations of metal ions in the active center or by the presence or absence of certain protein domains would not typically be classified as hydrogenase, but which nevertheless catalyze the reduction of protons to hydrogen with a redox partner.
- hydrogenase variants is to be understood as meaning peptides with hydrogenase activity which are truncated or, for example, mutated, modified variants of classified hydrogenases
- biotechnologically produced fusion proteins in general and those which are suitable for affinity chromatography in particular, are also
- hydrogenase variants suitable for affinity chromatography are, for example, those which attach an affinity tag to the peptide having hydrogenase activity, in particular a His, Myc, HA, FLAG, Avi, protein A , Protein G, Calmodulin, TAP, Strep, or GST Tag
- peptomimetic hydrogenase peptides also known as hydrogenase mimics
- Present invention are mostly produced synthetically or recombinantly Peptides which may well contain artificial amino acids, such as proline and Brentztraubenkladre derivatives, glycine derivatives or N-methyl amino acids.
- Hydrogenase mimics mimic the active site of hydrogenase. Although the biological activity of enzyme mimics generally does not correspond to the activity of the natural enzyme, enzyme mimics often represent a more robust, and possibly more cost effective, alternative to using the original enzyme. Hydrogenase mimics are advantageously oxygen insensitive and act as catalysts in the reduction of protons to hydrogen and therefore constitute peptides with hydrogenase activity in the context of the present invention.
- isolated with respect to peptides having hydrogenase activity, in the context of the present specification, includes peptides taken out of one environment and thus separated from the other components of that environment, for example one naturally occurring in a cell of an organism
- isolated in this context does not necessarily mean that it isolated from the cell Peptide without any other peptides or cellular components, so with a certain degree of purity is provided.
- recombinant with respect to peptides with hydrogenase activity, in the context of the present specification, includes peptides produced using DNA technologies known to those skilled in the art, ie, biotechnologically., Recombinant peptides with hydrogenase activity close by shortening, Mutation or fusion of biotechnologically engineered hydrogenase variants, hydrogenase mimics, can also be made using recombinant DNA technology.
- synthetic with respect to peptides having hydrogenase activity, in the context of the present specification, includes peptides made using technology known to one of skill in the art of peptide synthesis, for example, by solid-phase peptide synthesis, in the formation of a synthetic peptide the amino acids are typically added by the carboxylate groups forward, whereby the ribosome-driven peptide synthesis in the cellular environment connects amino acids starting with the amino groups, and the synthetic production of peptides with hydrogenase activity allows the incorporation of unusual amino acid building blocks, D-amino acids and linker molecules, as well as peptide cyclizations that are positive persevere on the hydrogenase activity, or whose oxygen resistance can affect.
- peptides with hydrogenase activity are used which have [Fe], [Fe Fe], [Fe Ni] or [Ni Fe Se] complexes in their active center.
- the hydrogenase activity of the peptides of the invention is oxygen-resistant.
- peptides with hydrogenase activity in their active sites can harbor carbon monoxide (CO) as the ligand of the metal ions, or that they are typically strong for a cell or organism toxic compound that is not detrimental to the activity of the hydrogenase.
- CO carbon monoxide
- the use of such peptides, which may be hydrogenase variants, hydrogenase-like peptides or else hydrogenase mimics, is therefore likewise according to the invention.
- peptides with hydrogenase activity are used which are used which
- (a) are isolated from green algae and / or cyanobacteria, or
- (b) are produced recombinantly or synthetically and include an amino acid sequence identical or similar to the amino acid sequence of peptides having hydrogenase activity from green algae and / or cyanobacteria.
- the green algae and cyanobacteria are selected from the group consisting of: Chlamydomonas reinhardtii; Raistonia eutropha; Paracoccus spp., Pyrococcus spp., Alcaligenes spp., Bradyrhizobium spp., Oligotropha spp., Acidovorax spp., Hydogenaphaga spp., Carboxydothermus spp., Desulfovibrio spp., Megasphaera eisdenii; Scenedesmus obiiquus; Desuifomicrobium bacuiatum; Raistonia metallidurans; Clostridium acetobutylicum; Clostridium pasteurianum; Aquifex aeoicus; Synechococcus BG04351; Synechococcus elongatus PCC 7942; Spirulina spp; Chroococcidiops
- the peptides used to generate hydrogen are provided with hydrogenase activity in an aqueous solution.
- the peptides having hydrogenase activity are attached to a support material, for example, by adsorption, by cross-linking, by ionic bonding, by covalent bonding, by immunoaffinity, by a spacer molecule (for example, by bi-reactive linker peptide, a bi reactive alkane or alkene, or by an alkyne).
- the bond to the substrate allows the Separation of the carrier material with the bound peptides from the reaction mixture, wherein the preferred carrier material according to the invention from the group consisting of: silica gel particles; Aluminum hydroxide (Al 2 (OH) 3), aluminum oxide hydroxide (AIO (OH)), alumina (Al 2 O 3); Materials useful for separation by ion exchange or affinity chromatography, for example, silica gel particles adapted to bind a peptide having hydrogenase activity, in particular by coating with antibodies specific for the peptides, or by coating with the respective affinity partner for His , Myc, HA, FLAG, Avi, protein A, protein G, calmodulin, TAP, Strep, or GST tags; titanium oxide; and silicides (for example, silicides with copper (Cu), titanium (Ti), platinum (Pt), palladium (Pd), iron (Fe), nickel (Ni), lead (Pb), gallium (Ga), indium (In ), Cadmium (Cd
- the carrier with bound peptides having hydrogenase activity can be advantageously separated from the reaction mixture.
- the amount of active peptides with hydrogenase activity in the reaction mixture can be easily regulated / scaled, thus also advantageously regulating / scaling the rate of production of the hydrogenase.
- a rapid turn-off of the hydrogenereactor is advantageously possible, and the uncomplicated and efficient separation of the peptides with hydrogenase activity allows the reaction mixture to be switched without causing significant losses of the peptides Reaction mixture, for example under oxygen-free conditions.
- the peptides with hydrogenase activity are activated by the uptake of electrons, the electrons being provided to the peptides by an electron donor.
- the electrons are preferred:
- Electrodes by the application of an electrical voltage to electrodes, which are introduced into the aqueous reaction mixture, in particular by platinum, copper, titanium, silicon, palladium, iron, nickel, lead, gallium, indium , Cadmium, Ruthenium, cobalt, silver, gold, iridium, osmium, mercury, zinc, hafnium, zirconium, vanadium, niobium, molybdenum, tungsten, chromium or manganese electrodes; and / or (b) by transfer of electrons via an electron transport chain in the aqueous reaction mixture, in particular an electron transport chain in which at least one electron donor such as NADH participates, or in which at least one photosensitizer from the group of porphyrins, for example zinc tetraphenylprophyrin tetrasulfonate ( ZnTPPS) or chlorophyll, or co-acting, or in which at least one electron carrier such as methyl viologen co-operates.
- the electrical voltage is provided by excess energy from alternative energy generation plants.
- the peptides of the invention having hydrogenase activity can be covalently linked to one of the electrodes - the anode - and thus directly utilize the electrons delivered by the electrode for activation, in particular by the direct transfer of electrons at the binding interface of peptide and electrode ,
- a photosensitizer may be excited by light from at least one light source to provide the electrons required for activation.
- One possible photosensitizer that can independently contribute to hydrogenation is titanium or cobalt silicide.
- titanium silicide is furthermore advantageously able to bind oxygen and thus can act multimodally in the reaction mixture.
- the photosensitizer ZnTPPS may be present in the reaction mixture together with NADH.
- the photosensitizer can then be brought into its excited state by light taking up electrons from NADH and in turn pass electrons on to the electron carrier methylviologen.
- Methyl viologen may then function as an electron donor and pass electrons to the peptides with hydrogenase activity for activation.
- the photosensitizer is excited by light from multiple light sources, which are supplied with power wirelessly, and which are freely suspended in the aqueous reaction mixture during hydrogenation.
- the light sources can be distributed more homogeneously in the reactor space, and the reactor diameter no longer has to be limited by the limited light penetration depth of external illuminations.
- the light sources which are usually highly energy-efficient LED light sources, can be powered wirelessly.
- a transmit coil may generate an alternating magnetic field in the reaction mixture that can inductively energize the light sources.
- the peptides to be activated with hydrogenase activity, as well as the photosensitizers can be bound directly to the surfaces of the light sources suspended in the reaction mixture.
- the aqueous reaction mixture is usually anaerobic and according to the invention has an oxygen content of up to 0.8% by volume, in particular up to 0.6% by volume, in particular up to 0.4% by volume, in particular up to 0.2% by volume. , in particular up to 0.1% by volume, in particular 0.05% by volume, or is oxygen-free.
- oxygen can be bound in the aqueous reaction mixture during or after the hydrogenation, in particular by adding at least one binder.
- the oxygen content of the reaction mixture may be regulated by exposure to an oxygen-free atmosphere of, for example, carbon monoxide, carbon dioxide or an inert gas such as argon or nitrogen. In such embodiments, it is particularly advantageous to keep the volume of the gas phase as low as possible.
- the oxygen content of the reaction mixture can be continuously regulated already during the oxygen evolution.
- This has advantages in terms of constant reaction conditions, so that no disruption or interruption of hydrogen production occurs.
- oxygen explicitly includes oxygen radicals, which also inhibit the hydrogenase.
- the intracellular oxygen of the methanogenesis bacteria is also bound.
- the advantageous embodiments for binding the oxygen which are subsequently proposed by way of hydrogenation are therefore expressly not restricted to the hydrogenase step. Rather, these developments are also advantageously for binding the intracellular oxygen of the methanogenesis bacteria and are also proposed in this regard as embodiments of the method according to the invention.
- An embodiment is preferred in which the oxygen is bound by adding at least one binder. It is preferred that the or the binder is regenerated or after the absorption of oxygen. As a result, in the most favorable case, the binder can remain in the reaction mixture or within the bacterial cells and be effective again there. Furthermore, a cost-effective and environmentally friendly process is realized.
- the oxygen is bound biochemically or chemically and the binder or binders are regenerated after the uptake of oxygen.
- Binders which are added according to the invention for the biochemical binding of the oxygen to the reaction mixture are hemoglobin, myoglobin or porphyrin.
- hemoglobin or myoglobin is added as a binding agent.
- biochemically produced hemoglobin or myoglobin can be introduced into the hydrogenation bioreactor. With respect to the introduction of hemoglobin or myoglobin during methanogenesis, this may be facilitated by opening the membranes of the bacteria by electroporation. During electroporation, the cells are briefly exposed to strong electric fields, whereby the plasma membranes are temporarily permeable. This makes it particularly easy for hemoglobin or myoglobin to enter cells and bind intracellular oxygen.
- the hemoglobin or the myoglobin is genetically engineered into the genome of the bacteria by means of biotechnological DNA transcription technology so that the hemoglobin or myoglobin can be produced by the cell itself in the future.
- porphyrin is added as binder, which is preferably introduced in the form of porphyrin-iron complexes in the hydrogenase bioreactor.
- the porphyrins can be hindered sterically, so that the oxygen uptake prevents a reduction of the iron. Also, the penetration of porphyrin into the bacterial cell can be promoted by electroporation.
- the hemoglobin or myoglobin and / or the porphyrin is / are regenerated electrochemically and / or biochemically and / or physically after the absorption of oxygen.
- the hemoglobin or myoglobin or the porphyrin iron complexes can be reduced by electrochemical reduction to iron ion (Fe 2+ ) complexes.
- hemoglobin or myoglobin and porphyrin-iron complexes can be reduced by biochemical reduction with the enzyme NADPH to the already mentioned iron ion complexes.
- hemoglobin or myoglobin may preferably be physically regenerated during a phase in which oxygen production is reduced by decreased hydrogenase activity by being exposed to carbon dioxide.
- the carbon dioxide molecules displace the oxygen molecules from the hemoglobin or myoglobin and take their places in the presence of a sufficiently high partial pressure.
- hydrazine and / or a hydrazine salt in particular iron hydrazine, is added as the binder.
- the hydrazine is directly in the Hydrogenesis bioreactor introduced.
- the hydrazine or its salts exhibit a reducing effect, so that oxygen or oxygen radicals are bound.
- a binder in particular ⁇ -terpene and / or isoprene, and / or a derivative thereof is added as a binder.
- Terpenes generally have a reducing effect so that oxygen or oxygen radicals present in the reaction mixture are bound.
- the triphenylmethane dye eosin and / or a heme protein of the cytochrome P450 family are added to the terpene.
- the binders in the reaction mixture may be bound to a support material.
- the support material may be selected from the group consisting of: silica gel particles; Aluminum hydroxide (Al 2 (OH) 3), aluminum oxide hydroxide (AIO (OH)), alumina (Al 2 O 3); Materials useful for separation by ion exchange or affinity chromatography, for example, silica gel particles adapted to bind the binder, particularly by coating with antibodies specific for the binder, or ions specific for the binding of the binder; Platinum; Copper; Titanium; Silicone; Palladium; Iron; Nickel; Lead; Gallium; indium; Cadmium; ruthenium; Cobalt; Silver; Gold; Iridium; Osmium; Mercury; Zinc; Hafnium; Zirconium; vanadium; Niobium; Molybdenum; Tungsten; Chromium and manganese, or alloy thereof, to be selected. Binding to the support material allows the continuous removal of oxygenated bin
- the carrier material or carrier materials are selected such that, if required, a differentiated separation of the peptides with hydrogenase activity and the Binder achieved becomes.
- the binder is bound to a magnetic carrier such as Dynabeads® (ThermoFischer) and is periodically removed from the reaction mixture by magnetic separation and replaced with fresh / regenerated binder.
- the peptides having hydrogenase activity may be covalently attached to a non-magnetic, porous support material, such as silica gel particles.
- sunlight is used as the energy source in the method according to the invention, which directly improves the energy balance of the method.
- the proposed method can therefore be used as an alternative to the environmentally friendly energy sources wind energy and solar energy for energy.
- the method according to the invention can also be used in particular for increasing the efficiency of existing wind power or photovoltaic systems.
- the process makes available the excessively produced in favorable weather conditions electricity for methane production and thus, at least partially, converted into a conventional energy source.
- Germany has a nationwide infrastructure of gas storage facilities, gas networks and other transport routes, which enables the distribution of the energy source methane (and thus indirectly the surplus electricity) without major infrastructural investments.
- the reaction mixture used to generate hydrogen contains a photosensitizer and is separated from the light source, in particular sunlight, by a substantially transparent pane.
- the peptides used with hydrogenase activity can utilize sunlight as an energy carrier.
- the gaseous intermediates hydrogen and oxygen are first separated before the gas mixture hydrogen and oxygen is separated.
- the gaseous intermediates hydrogen and oxygen are separated from the reaction mixture by a membrane, in particular a porous membrane made of CLPE (cross-linked polyethylene).
- CLPE cross-linked polyethylene
- the membrane is fixed on both sides in a hexagonal close-packed spherical packing. As a result, a particularly secure fixation of the membrane is achieved.
- a CLPE membrane with an inner layer of PATBS (poly (acrylamide-tert-butyl-sulfonic acid)) is used.
- PATBS poly (acrylamide-tert-butyl-sulfonic acid)
- the inner layer off PATBS further advantageously increases the performance of the proposed CLPE membrane for the separation of the present mixing partners.
- a further development of the method is preferred, in which a multilayer membrane is used whose layers are at least partially strigraess each other, in particular in a circular or honeycomb pattern.
- a multilayer membrane is used whose layers are at least partially Drainraess each other, in particular in a circular or honeycomb pattern.
- an increased pressure resistance is provided, so that the gas pressure can be increased in an advantageous manner.
- the aqueous reaction mixture completely fills the hydrogenereactor space, so that there is no or only a minimal gas phase between the reaction mixture and the membrane.
- the reactor space can be designed so that any gas phase can be removed via a valve.
- a black membrane is used in the hydrogenation step.
- the black membrane absorbs much of the incident light so that heating of the membrane and the surrounding reaction mixture is achieved.
- the evolution of heat promotes the diffusion of both oxygen and hydrogen.
- the heat energy can be dissipated and used elsewhere, for example by a heat exchanger.
- the gaseous mixing partners oxygen and hydrogen obtained in the first step are preferably separated from one another by a gas liquefaction, in particular by the Linde method.
- the Linde process is known per se.
- a gas or a gas mixture is cooled until the individual mixture partners reach their boiling point and accumulate as a liquid.
- the boiling point of oxygen is about 70 Kelvin above the boiling point of hydrogen, so that the oxygen first becomes liquid.
- the use of a gas liquefaction process is particularly advantageous when very pure components are to be recovered. Pure pure water can thus be obtained from pure oxygen and pure hydrogen as a byproduct of the process, in particular using waste heat from the hydrogenation step.
- an embodiment of the invention is preferred in which the methanogenesis bacteria used to produce methane are also provided in an aqueous solution. This solution can also be supplied periodically or continuously appropriate nutrients. This provides an optimal environment for the methanogenesis bacteria used. Furthermore, an uninterrupted implementation of the method according to the invention is made possible.
- the methanogenesis bacteria used to produce methane have one or a mixture of the species Methanobacterium thermoautotropicum, Methanobacillus spp., Methanobacterium spp., Methanococcus spp., Methanosarcina spp. and Methanothrix spp. on. It has been found that the mentioned bacterial species harmonize particularly well with the other steps of the method according to the invention.
- the hydrogen and carbon dioxide may be supplied to the methanogenesis bacteria under anaerobic conditions and / or at a temperature of about 60 ° C.
- the conditions mentioned have proven to be optimal in order to provide the highest possible methane yield in conjunction with a long life and a particularly uniform activity of the bacteria used.
- An embodiment is preferred in which the separation of the methane from the bacterial medium takes place via a membrane, in particular via a porous membrane made of CLPE (cross-linked polyethylene).
- CLPE cross-linked polyethylene
- the membrane of the second step can be set in a hexagonal closest packing.
- a multilayer membrane can be used in an advantageous manner, the layers of which are at least partially welded together, in particular in a circular or honeycomb pattern.
- the carbon dioxide supplied to the methanogenesis bacteria can be provided from carbon dioxide-rich gas streams, in particular from industrial and combustion processes.
- This development of the method is particularly advantageous in terms of improving the carbon dioxide balance of waste incineration and power plants.
- methane which can be used as starting material for the chemical industry or for carbon dioxide-neutral combustion, can be provided from actually environmentally harmful exhaust gas streams with the aid of the present method.
- an embodiment is preferred in which resulting excess bacterial material is taken periodically or continuously from the process and fed to a biogas process for additional methane production.
- biomass which must be removed from time to time or continuously due to the specified plant size.
- this biomass which would otherwise - possibly with further follow-up costs - should be disposed of, a further useful use will be supplied.
- heat can be removed from the hydrogenation step, in particular by a Heat exchanger or a heat pump.
- a black membrane in the hydrogenase step can be used. The excess heat can be meaningfully reused or transferred within the process.
- Heat may be transferred between the hydrogenase step and the methanogenesis step.
- waste heat from the hydrogenase step can be used advantageously for methanogenesis.
- methanogenesis generally takes place at a significantly higher temperature than hydrogenation, the use of a heat pump is suitable.
- Fig. 3 is a schematic representation of the entire method according to shown
- Fig. 4 is a schematic representation of a preferred membrane arrangement for
- Fig. 5 is a schematic representation of two embodiments of multilayer
- FIG. 1 shows a schematic representation of a part of the proposed embodiment of the overall method. This first part relates to the generation of hydrogen and oxygen by peptides with hydrogenase activity and the separation of the generated oxygen from the hydrogen.
- an aqueous reaction mixture 1 containing the peptides with hydrogenase activity in a hydrogenase bioreactor 2 is provided.
- the aqueous reaction mixture 1 also contains a buffer solution, for example a 20 mM phosphate buffer solution pH 7.0, and NADH, ZnTPPS and methyl viologen and is separated from the gas space of the bioreactor 2 by a membrane 3 made of CLPE.
- the provided reaction mixture is mixed continuously with a pump 4, and, advantageously, recirculated.
- the reaction mixture 1 is separated from the environment by a substantially transparent disc 5. Due to the irradiation of light (hu), especially sunlight, the peptides used produce hydrogen and oxygen. These intermediates can be passed through the membrane 3 into the gas space of the bioreactor 2 and withdrawn.
- electrons can be fed directly and optionally additionally to the hydrogenase reactor by means of a voltage applied across the electrodes 6, which ultimately leads to the activation of the peptides.
- a binder can be added to the bioreactor 2. Suitable binders are, for example, hemoglobins, myoglobins, porphyrin, hydrazine or terpenes. The binders used can be regenerated in various ways, to which reference is made to the preceding statements. If the binder or binders are regenerated electrochemically, electrodes are mounted within the bioreactor 2, which are not shown here.
- the bioreactor 2 can be removed continuously excess heat.
- a heat exchanger is preferably used (not shown).
- heat may be diverted from bioreactor 2 by means of a heat pump (not shown) for improved energy balance and supplied to bioreactor 10 for methanogenesis (see FIG. 2) at a higher temperature level.
- FIG. 2 shows a schematic representation of the second step of the illustrated embodiment of the method according to the invention, which relates to the production of methane from the hydrogen produced in the first step and the separation of the recovered methane.
- the hydrogen obtained in the first step is fed to a further bioreactor 10.
- this bioreactor 10 is an aqueous solution of methanogenesis bacteria 9, which is separated from the gas space of the bioreactor 10 through a membrane 1 1.
- the membrane 1 1 is as for the first step shown in FIG. 1 from CLPE.
- the present in aqueous solution methanogenesis bacteria is fed both hydrogen and carbon dioxide.
- carbon dioxide originating from a gas liquefaction process in dry ice production 12 is converted into dry ice.
- the educts carbon dioxide and hydrogen are fed to the bacterial solution under anaerobic conditions at a temperature of about 60 ° C.
- the bacteria solution is continuously added appropriate nutrients. Both the bacterial solution as well as the gases in the gas space of the bioreactor 10 are continuously circulated by pumps 13.
- the methanogenesis bacteria produce from the supplied hydrogen and carbon dioxide by setting suitable environmental conditions and by supplying nutrients 14 methane (ChU).
- the resulting methane can diffuse through the membrane 1 1 from CLPE into the gas space of the bioreactor 10.
- the osmotic pressure of the two educts on the gas side of the membrane 11 is increased.
- a suitable binder can be added.
- a binder may act biochemically or chemically to bind the intracellular oxygen.
- Suitable binders include myoglobin, porphyrin, hydrazine or terpenes.
- the binder is regenerated after uptake of intracellular oxygen. It is possible to proceed as described with respect to the peptides with hydrogenase activity.
- the gas mixture of carbon dioxide, hydrogen and methane 15 can be removed from the gas space of the bioreactor 10. Thereafter, the carbon dioxide is first separated in a cold trap 16 and returned to the circulation. The separation of the remaining components hydrogen and methane via a gas liquefaction 17 and a downstream fractionation 18. The separated hydrogen is also recycled to the process.
- Fig. 3 shows a schematic representation of the entire process. It becomes clear how the hydrogen obtained in the first step is transferred and used as starting material for the second step. In the second step, the continuous growth of the methanogenesis bacteria used constantly results in excess biomaterial, which is discharged for further methane production in the biogas process.
- more than 0.5 liters of hydrogen in particular more than 1, can be used when using 1 mg of peptides with hydrogenase activity
- Liter of hydrogen in particular more than 1.5 liters of hydrogen, in particular more than 2 liters of hydrogen, in particular more than 2.5 liters of hydrogen, in particular more than 3 liters of hydrogen, in particular more than 3.5 liters of hydrogen, in particular more than 4 liters of hydrogen
- more than 4.5 liters of hydrogen in particular up to about 4.67 liters of hydrogen per liter of reaction mixture and hour are generated, which corresponds to a significantly increased hydrogen production compared to the hydrogen production by means of algae reactors.
- much lower hydrogen production rates are common for algae reactors.
- 8 ml of hydrogen are known per liter per hour.
- a membrane 3, 1 1 from CLPE is preferably used in the process both in the production of hydrogen by algae and in the methane recovery by methanogenesis bacteria, to allow the passage of gaseous products from an aqueous medium.
- This FIGURE shows in a side view and in a plan view, as the membrane 3, 1 1 is anchored from CLPE in a hexagonal closest ball packing in order to achieve the safest possible definition of the membrane 3, 1 1.
- FIG. 5 shows a schematic representation of two embodiments of multilayer membranes, which are preferably used in the method according to the invention.
- the membranes 3, 1 1 consist of at least two layers, for example, may have an inner layer of PATBS.
- the layers of the membranes 3, 1 1 at least partially strigcusion each other.
- a circle pattern is shown. The circles may touch or be slightly spaced apart.
- Fig. 5 right the various layers of the membrane 3, 1 1 are welded together in a honeycomb pattern, whereby an increased pressure stability is achieved.
- the pressure on the gas side of the membrane can be increased or decreased without failure. Accordingly, in particular, the osmotic pressure of oxygen on the gas side of reactor 2 can be further reduced, and the pressure of carbon dioxide on the gas side of reactor 10 can be further increased.
- the membrane 3 in the bioreactor 2 can be made of black material. This results in the bioreactor 2, a larger excess of heat, which is advantageously used in the manner already described.
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Abstract
The invention relates to a process for the biological generation of methane (CH4), which process is firstly environmentally friendly and inexpensive, and secondly avoids the use of fossil reserves. The process is divided into two steps, wherein first hydrogen (H2) and oxygen (O2) are generated from water (H2O) by peptides that have hydrogenase activity. In the second step, methane (CH4) is isolated by methanogenesis bacteria from the hydrogen (H2) which is generated and from carbon dioxide (CO2). To increase the yield of the process, interfering oxygen (O2) can be bound in the hydrogenesis reaction mixture and/or in the methanogenesis bacteria.
Description
VERFAHREN ZUR BIOLOGISCHEN ERZEUGUNG VON METHAN PROCESS FOR THE BIOLOGICAL PRODUCTION OF METHANE
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Erzeugung von Methan. Methan ist ein wichtiger Energieträger sowie ein bedeutender Ausgangsstoff für die chemische Industrie. Methan wird ganz überwiegend aus Erdgas gewonnen, dessen Hauptbestandteil es ist. Dazu werden fossile Vorkommen ausgebeutet, in denen zumeist Erdgas und Erdöl zusammen vorliegen. Solche Vorkommen finden sich bspw. in Russland, Saudi Arabien, Nordamerika, China und Norwegen, oft auch unter dem Meeresboden, bspw. in der Nordsee. The present invention relates to a process for the biological production of methane. Methane is an important source of energy as well as an important source for the chemical industry. Methane is mainly produced from natural gas, the main component of which is. For this purpose, fossil deposits are exploited, in which mostly natural gas and oil are present together. Such deposits are found, for example, in Russia, Saudi Arabia, North America, China and Norway, often under the seabed, for example in the North Sea.
Die Verfügbarkeit solcher fossiler Erdgasvorkommen ist jedoch begrenzt. Des Weiteren kann eine wirtschaftliche Abhängigkeit von Erdgaslieferländern eintreten. Zusätzlich liegt das Methan im Erdgas neben einer Vielzahl anderer Komponenten vor und muss durch aufwändige Verfahren und damit unter weiterer Energieaufwendung von den Beikomponenten abgetrennt werden, um reines Methan zu erhalten. However, the availability of such fossil natural gas resources is limited. Furthermore, economic dependence on natural gas suppliers may occur. In addition, the methane is present in natural gas in addition to a variety of other components and must be separated by complex processes and thus with further energy consumption of the Beikomponenten to obtain pure methane.
Das Hauptproblem bei der Nutzung von Methan aus fossilen Vorkommen ist jedoch zum einen das starke Treibhauspotential, welches Methan aufweist. Bei der Förderung und dem Transport von fossil vorkommendem Methan tritt unweigerlich ein erheblicher Verlust des abgebauten Gases ein, dieser Anteil gelangt als Treibhausgas in die Atmosphäre. However, the main problem with using methane from fossil sources is the strong global warming potential of methane. In the extraction and transport of fossil methane inevitably occurs a significant loss of the degraded gas, this share is released as a greenhouse gas into the atmosphere.
Zum anderen verstärkt die Nutzung (d.h. die Verbrennung) fossilen Methans, wie auch anderer fossiler Energieträger den Treibhauseffekt dadurch, dass weiteres Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangt und entsprechend als Treibhausgas wirken kann. Es ist zudem bekannt, methanhaltige Gase aus Biomasse zu gewinnen (sog. Biogas-Verfahren). So ist aus der DE 10 2004 035 997 A1 eine Biogasanlage zur Bereitstellung von methanhaltigen Gasen bekannt. Die Biogaserzeugung hat jedoch den Nachteil, dass nur sehr unreines Methan gewonnen wird, das durch Kohlendioxid, Wasserdampf, Ammoniak, Schwefelwasserstoff und andere Bestandteile verunreinigt ist. Des Weiteren ist nicht genügend Biomasse verfügbar, um letztlich die fossilen Vorkommen ersetzen zu können. On the other hand, the use (ie the burning) of fossil methane, as well as other fossil fuels, increases the greenhouse effect by releasing more carbon dioxide into the atmosphere and acting as a greenhouse gas. It is also known to obtain methane-containing gases from biomass (so-called biogas process). Thus, DE 10 2004 035 997 A1 discloses a biogas plant for the provision of methane-containing gases. However, the biogas production has the disadvantage that only very impure methane is recovered, which is contaminated by carbon dioxide, water vapor, ammonia, hydrogen sulfide and other components. Furthermore, not enough biomass is available to ultimately replace the fossil deposits.
Schließlich ist bekannt, dass sich auf den Meeresböden der Erde mehrere Billionen Tonnen Methan in Form von Methanhydrat befinden. Die Förderung dieser Vorkommen
ist bis jetzt jedoch noch nicht kommerziell möglich und scheint nur mit erheblichen Kosten realisierbar zu sein. Finally, it is known that there are several trillion tons of methane in the form of methane hydrate on the earth's seabed. The promotion of these occurrences is not yet commercially possible and seems to be feasible only with considerable costs.
Mit dem Ziel den durch die kohlendioxiderzeugende Verbrennung von Energieträgern, zum Beispiel von fossilen Energieträgern, geförderten Treibhauseffekt einzuschränken, sind unterschiedliche Methoden und Technologien zur alternativen Energiegewinnung entwickelt worden. With the aim of limiting the greenhouse effect promoted by the carbon dioxide-generating combustion of energy sources, for example fossil fuels, different methods and technologies for alternative energy generation have been developed.
So bildet mittlerweile zum Beispiel aus Wind oder Sonnenlicht gewonnene Elektrizität einen wichtigen Bestandteil der allgemeinen Stromversorgung. Ein Problem bei der Erzeugung von Elektrizität durch Windkraft- oder Photovoltaik-Anlagen besteht allerdings darin, dass die zur Elektrizitätserzeugung günstigen Wetterbedingungen nicht immer mit den Hauptbedarfszeiten der Endversorger übereinstimmen. Da es bisher allerdings noch keine adäquate und/oder rentable Lösung zur Langzeitspeicherung solcher im Überschuss produzierter Elektrizität gibt, werden regelmäßig Anlagen zur alternativen Stromerzeugung unter Kapazität betrieben -gerade bei Bedingungen, die optimal zur Energiegewinnung geeignet wären. For example, electricity obtained from wind or sunlight is now an important part of the general electricity supply. However, one problem with the generation of electricity by wind or photovoltaic systems is that the favorable weather conditions for electricity generation do not always match the prime demand of the end user. However, as there is still no adequate and / or cost-effective solution for long-term storage of such excessively produced electricity, alternative generation plants are regularly operated under capacity, even under conditions that would be optimal for energy production.
Ein weiteres Problem in dieser Hinsicht ist die geographische Distanz zwischen Regionen mit für die alternative Energieerzeugung vorteilhaften Wetterbedingungen und den Hauptstandorten der Energieendverbraucher. Zum Beispiel gibt es gegenwärtig infrastrukturelle Engpässe im Stromnetz, die es nicht ermöglichen die durch Windkraftanlagen erzeugte Elektrizität von den windigen Küstenregionen Norddeutschlands in die dicht besiedelten Ballungsräume in der Mitte oder gar im Süden Deutschlands weiterzuleiten. Dies führt ebenfalls dazu, dass Windanlagen gezielt unter Kapazität betrieben werden. Another problem in this regard is the geographical distance between regions with favorable weather conditions for alternative energy production and the main sites of final energy consumers. For example, there are currently infrastructural bottlenecks in the electricity grid, which do not allow the electricity generated by wind turbines from the windy coastal regions of northern Germany in the densely populated metropolitan areas in the middle or even in southern Germany forward. This also means that wind turbines are purposefully operated under capacity.
Es besteht daher ein Bedarf Energieträger oder -Speicher bereitzustellen, die es ermöglichen, Überschussenergie, welche von Anlagen zur alternativen Energieerzeugung unter optimalen Bedingungen bereitgestellt werden kann, zu speichern und/oder verteilbar zu machen. There is therefore a need to provide energy carriers or storages which make it possible to store and / or redistribute excess energy, which can be provided by alternative energy generation plants under optimal conditions.
In bevorzugten Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung wird daher ein umweltfreundliches und kostengünstiges Verfahren zur Erzeugung von Methan
angegeben, das einerseits auf die Nutzung fossiler Vorkommen verzichtet und andererseits die Möglichkeit bietet die bei der alternativen Energieerzeugung anfallende Überschussenergie nutzbar zu machen. Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach weist das erfindungsgemäße Verfahren zur biologischen Erzeugung von Methan die folgenden Schritte auf: In preferred embodiments of the present invention, therefore, an environmentally friendly and inexpensive process for producing methane on the one hand waives the use of fossil deposits and on the other hand offers the opportunity to harness the surplus energy generated in alternative energy production. According to the invention the above object is achieved with the features of claim 1. Thereafter, the method according to the invention for the biological production of methane comprises the following steps:
Erzeugung von Wasserstoff (Hb) und Sauerstoff (O2) aus Wasser (H2O) durch isolierte, synthetische, und/oder rekombinante Peptide mitGeneration of hydrogen (Hb) and oxygen (O2) from water (H2O) by isolated, synthetic, and / or recombinant peptides
Hydrogenase-Aktivität in einem wässrigen Reaktionsgemisch (Hydro- genese), Hydrogenase activity in an aqueous reaction mixture (hydro genesis),
Abtrennung des erzeugten Sauerstoffs vom erzeugten Wasserstoff, Separating the generated oxygen from the generated hydrogen,
Erzeugung von Methan aus dem erzeugten Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2) durch Methanogenese-Bakterien (Methanogenese), Generation of methane from the generated hydrogen and carbon dioxide (CO2) by methanogenesis bacteria (methanogenesis),
Abtrennung und ggf. Verflüssigung des erzeugten Methans (CH4). Separation and possibly liquefaction of the produced methane (CH4).
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den nachgeordneten Patentansprüchen entnehmbar. Advantageous embodiments of the method according to the invention can be taken from the subordinate claims.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die Herstellung von Methan in zwei Schritte aufteilbar ist, wobei in beiden Schritten jeweils eine umweltneutrale Bioreaktion stattfinden kann. According to the invention, it has been recognized that the production of methane can be divided into two steps, wherein in each case an environmentally neutral bioreaction can take place in both steps.
So wird zunächst durch den Einsatz geeigneter Peptide mit Hydrogenase-Aktivität aus Wasser, Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen. Der im ersten Schritt von den Peptiden mit Hydrogenase-Aktivität erzeugte Sauerstoff wird abgetrennt und kann anderen Verwendungen zugeführt werden. Es verbleibt der im ersten Schritt erzeugte Wasserstoff.
In erfindungsgemäßer Weise wird nun in einem zweiten Schritt aus dem erzeugten Wasserstoff und unter Zugabe von Kohlendioxid durch den Einsatz geeigneter Methanogenese-Bakterien Methan erzeugt. Das eingesetzte Kohlendioxid kann aus der Umgebungsatmosphäre, bspw. durch ein Luftverflüssigungsverfahren mit anschließender Trockeneisbildung, gewonnen werden. Dadurch verringert sich der Anteil des treibhausaktiven Kohlendioxids in der Atmosphäre. Des Weiteren kann Kohlendioxid aus Industrie- oder Verbrennungsprozessen genutzt werden, wodurch die Kohlendioxidbelastung der Atmosphäre direkt verringert wird. Thus, it is initially obtained by the use of suitable peptides with hydrogenase activity from water, hydrogen and oxygen. The oxygen generated by the peptides with hydrogenase activity in the first step is separated and can be put to other uses. There remains the hydrogen generated in the first step. In accordance with the invention, methane is now generated in a second step from the hydrogen produced and with the addition of carbon dioxide through the use of suitable methanogenesis bacteria. The carbon dioxide used can be obtained from the ambient atmosphere, for example by an air liquefaction process with subsequent formation of dry ice. This reduces the proportion of greenhouse-active carbon dioxide in the atmosphere. Furthermore, carbon dioxide can be used from industrial or combustion processes, which directly reduces the carbon dioxide load on the atmosphere.
Schließlich kann das erzeugte Methan von den verbliebenen Edukten Wasserstoff und Kohlendioxid abgetrennt und ggf. verflüssigt werden. Finally, the methane produced can be separated from the remaining educts of hydrogen and carbon dioxide and possibly liquefied.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden isolierte Peptide mit Hydrogenase-Aktivität aus der Gruppe bestehend aus: Hydrogenasen; Hydrogenase- ähnlichen Peptiden; Hydrogenasevarianten; und Fragmenten oder Kombinationen hiervon, zur Wasserstofferzeugung verwendet. In an advantageous embodiment of the invention, isolated peptides having hydrogenase activity are selected from the group consisting of: hydrogenases; Hydrogenase-like peptides; Hydrogenasevarianten; and fragments or combinations thereof, used for hydrogen production.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden synthetische oder rekombinante Peptide mit Hydrogenase-Aktivität aus der Gruppe bestehend aus: Hydrogenasen; Hydrogenase-ähnlichen Peptiden; Hydrogenasevarianten; Hydrogenase- Mimics; und Fragmenten oder Kombinationen hiervon, zur Wasserstofferzeugung verwendet. Im Kontext der gegenwärtigen Schrift schließt der Begriff „Peptide mit Hydrogenase- Aktivität", Hydrogenasen, Hydrogenase-ähnliche Peptide; Hydrogenasevarianten; Hydrogenase-Mimics und Fragmente oder Kombinationen hiervon, explizit mit ein. In a further advantageous embodiment of the invention, synthetic or recombinant peptides having hydrogenase activity are selected from the group consisting of: hydrogenases; Hydrogenase-like peptides; Hydrogenasevarianten; Hydrogenase Mimics; and fragments or combinations thereof, used for hydrogen production. In the context of the present specification, the term "peptides with hydrogenase activity", hydrogenases, hydrogenase-like peptides, hydrogenase variants, hydrogenase mimics and fragments or combinations thereof are explicitly included.
Hydrogenasen sind Enzyme, die die reversible Reduktion von Protonen zu Wasserstoff mit einem Redoxpartner katalysieren (Hydrogenese). Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, im Vergleich zu Verfahren zur biologischen Wasserstofferzeugung durch Algen, sowohl die aufwendige mechanische Durchmischung, als auch die aufwendige Reinigung des Hydrogenesereaktors mit teils höchst umweltschädlichen Reinigungsmitteln größtenteils zu vermeiden.
Die Sauerstoffempfindlichkeit der Hydrogenasen kann unter Umständen ein Hindernis im Bezug auf deren direkte Nutzung zur Wasserstofferzeugung darstellen. Allerdings sind nicht alle Hydrogenasen sauerstoffempfindlich und sauerstoffunempfindliche (Sauerstoff- resistente) Hydrogenasen sind bekannt. Sauerstoffunempfindliche Hydrogenasen sind „Peptide mit Hydrogenase-Aktivität" im Sinne der gegenwärtigen Erfindung. Hydrogenases are enzymes that catalyze the reversible reduction of protons to hydrogen with a redox partner (hydrogenation). The process according to the invention makes it possible, in comparison to processes for the biological production of hydrogen by algae, to avoid to a large extent both the complex mechanical mixing and the expensive purification of the hydrogenereactor with partly highly polluting detergents. The oxygen sensitivity of the hydrogenases may be an obstacle to their direct use for hydrogen production. However, not all hydrogenases are sensitive to oxygen and oxygen-insensitive (oxygen-resistant) hydrogenases are known. Oxygen-insensitive hydrogenases are "peptides with hydrogenase activity" within the meaning of the present invention.
Der Begriff „Sauerstoff-resistent" im Bezug auf die Hydrogenase-Aktivität der erfindungsgemäßen Peptide schließt sowohl Peptide ein, welche bei einem Sauerstoffgehalt im Reaktionsgemisch von <0,8 Vol.-% keinerlei Reduzierung ihrer Hydrogenase-Aktivität erfahren als auch Peptide, die zwar bei einem Sauerstoffgehalt im Reaktionsgemisch von ^0,8 Vol.-% eine Reduzierung ihrer Hydrogenase-Aktivität erfahren, diese Reduzierung aber weniger als 50% beträgt und die Peptide im erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbar bleiben Aufgrund des Vorkommens verschiedener Metalle im aktiven Zentrum werden zur Zeit vier Hydrogenasetypen unterschieden: Eisen- [Fe] oder [Fe Fe], Nickel-Eisen- [Ni Fe], Nickel-Eisen-Selen [Ni Fe Se] und metallfreie Hydrogenasen (die allerdings einen metallhaltigen Co-Faktor für die Katalyse benötigen). Hydrogenasen aus Algen gehören meist zu den [Fe], [Fe Fe] oder [Ni Fe] Hydrogenasetypen, welche besonders vorteilhafte Umsatzraten aufweisen. Das aktive Zentrum dieser Hydrogenasen wird auch als H- Cluster (H = hydrogen activating) bezeichnet und enthält typischerweise sechs Eisenatome. Bei [Ni Fe]-Hydrogenasen kommt neben Eisen auch Nickel im aktiven Zentrum vor. Peptide mit Hydrogenase-Aktivität im Sinne der gegenwärtigen Erfindung schließen Peptide ein, die aufgrund der Konstellation von Metallionen im Aktiven Zentrum einem der bekannten Hydrogenaseklassen zugeordnet werden können, aber auch Peptide, bei denen eines oder mehrere der Metallionen durch einen Austauschstoff ersetzt sind, die aber weiterhin die Reduktion von Protonen zu Wasserstoff mit einem Redoxpartner katalysieren. In diesem Zusammenhang ist auch der Begriff „Hydrogenase-ähnliche Peptide" zu verstehen, der unter anderem die Peptide mit Hydrogenase-Aktivität umfasst, die eine oder mehrere Strukturen aufweisen, welche nicht als typische Strukturelemente einer Hydrogenase angesehen werden. Zum Beispiel umfasst der Begriff „Hydrogenase- ähnliche Peptide", Peptide mit Hydrogenase-Aktivität, die aufgrund ihrer Kombinationen
von Metallionen im aktiven Zentrum oder durch das Vorhandensein oder die Abwesenheit bestimmter Proteindomänen nicht typischerweise als Hydrogenase eingestuft werden würden, die aber dennoch die Reduktion von Protonen zu Wasserstoff mit einem Redoxpartner katalysieren. The term "oxygen-resistant" with respect to the hydrogenase activity of the peptides of the invention includes both peptides which, at an oxygen content in the reaction mixture of <0.8% by volume, do not undergo any reduction in their hydrogenase activity as well as peptides which at an oxygen content in the reaction mixture of ^ 0.8% by volume experience a reduction in their hydrogenase activity, but this reduction is less than 50% and the peptides remain usable in the process according to the invention due to the presence of various metals in the active center currently four Hydrogenase types differentiated: iron [Fe] or [Fe Fe], nickel-iron [Ni Fe], nickel-iron selenium [Ni Fe Se] and metal-free hydrogenases (which, however, require a metal-containing cofactor for catalysis). Hydrogenases from algae usually belong to the [Fe], [Fe Fe] or [Ni Fe] hydrogenase types, which have particularly advantageous conversion rates These hydrogenases are also referred to as H (hydrogen activating) clusters and typically contain six iron atoms. In [Ni Fe] hydrogenases, in addition to iron, nickel also occurs in the active center. Peptides with hydrogenase activity in the context of the present invention include peptides that can be assigned to one of the known classes of hydrogenases due to the constellation of metal ions in the active center, but also peptides in which one or more of the metal ions are replaced by a replacement material continue to catalyze the reduction of protons to hydrogen with a redox partner. In this context, the term "hydrogenase-like peptides" is to be understood, which inter alia includes the peptides with hydrogenase activity which have one or more structures which are not regarded as typical structural elements of a hydrogenase. Hydrogenase-like peptides ", peptides with hydrogenase activity, due to their combinations of metal ions in the active center or by the presence or absence of certain protein domains would not typically be classified as hydrogenase, but which nevertheless catalyze the reduction of protons to hydrogen with a redox partner.
Unter dem Begriff „Hydrogenasevarianten" sind Peptide mit Hydrogenase-Aktivität zu verstehen, die verkürzte oder, zum Beispiel durch Mutation, veränderte Varianten von klassifizierten Hydrogenasen darstellen. Zum Beispiel sind biotechnologisch hergestellte Fusionsproteine generell, und solche die zur Affinitätschromatographie geeignet sind im Speziellen, ebenfalls Hydrogenasevarianten im Sinne der gegenwärtigen Erfindung. Zur Affinitätschromatographie geeignete Fusionsproteine sind zum Beispiel solche, die einen Affinitäts-Tag an das Peptid mit Hydrogenase-Aktivität anfügen, insbesondere einen His-, Myc-, HA-, FLAG-, Avi-, Protein A-, Protein G-, Calmodulin-, TAP-, Strep-, or GST-Tag. Die Identifizierung und strukturbiologische Charakterisierung von Hydrogenasen ermöglicht die Herstellung von peptomimetischen Hydrogenase-Peptiden, auch als Hydrogenase-Mimics bekannt. „Hydrogenase-Mimics" im Sinne der gegenwärtigen Erfindung sind meist synthetisch oder rekombinant hergestellte Peptide, die durchaus auch künstliche Aminosäuren, wie zum Beispiel Prolin- und Brentztraubensäure-Derivate, Glyzin-Derivate oder N-methyl Aminosäuren, enthalten können. Hydrogenase-Mimics imitieren das aktive Zentrum der Hydrogenase. Auch wenn die biologische Aktivität von Enzym-Mimics in der Regel nicht der Aktivität des natürlichen Enzyms entspricht, stellen Enzym-Mimics oft eine insgesamt robustere, und gegebenenfalls auch kostengünstigere, Alternative zur Verwendung des ursprünglichen Enzyms dar. Hydrogenase-Mimics sind vorteilhafterweise sauerstoffunempfindlich und wirken als Katalysatoren in der Reduktion von Protonen zu Wasserstoff und stellen daher Peptide mit Hydrogenase-Aktivität im Sinne der gegenwärtigen Erfindung dar. The term "hydrogenase variants" is to be understood as meaning peptides with hydrogenase activity which are truncated or, for example, mutated, modified variants of classified hydrogenases For example, biotechnologically produced fusion proteins in general, and those which are suitable for affinity chromatography in particular, are also For the purposes of the present invention, hydrogenase variants suitable for affinity chromatography are, for example, those which attach an affinity tag to the peptide having hydrogenase activity, in particular a His, Myc, HA, FLAG, Avi, protein A , Protein G, Calmodulin, TAP, Strep, or GST Tag The identification and structural characterization of hydrogenases enables the production of peptomimetic hydrogenase peptides, also known as hydrogenase mimics Present invention are mostly produced synthetically or recombinantly Peptides which may well contain artificial amino acids, such as proline and Brentztraubensäure derivatives, glycine derivatives or N-methyl amino acids. Hydrogenase mimics mimic the active site of hydrogenase. Although the biological activity of enzyme mimics generally does not correspond to the activity of the natural enzyme, enzyme mimics often represent a more robust, and possibly more cost effective, alternative to using the original enzyme. Hydrogenase mimics are advantageously oxygen insensitive and act as catalysts in the reduction of protons to hydrogen and therefore constitute peptides with hydrogenase activity in the context of the present invention.
Der Begriff „isoliert" im Bezug auf Peptide mit Hydrogenase-Aktivität schließt im Kontext der gegenwärtigen Schrift Peptide, die aus einer Umgebung herausgenommen, und somit von den anderen Komponenten dieser Umgebung abgetrennt wurden, ein. Zum Beispiel kann ein natürlicherweise in einer Zelle eines Organismus vorkommendes Peptid mit Hydrogenase-Aktivität aus dieser Zelle isoliert werden. Allerdings bedeutet der Begriff „isoliert" in diesem Zusammenhang nicht zwangsläufig, dass das aus der Zelle isolierte
Peptid ohne jegliche andere Peptide oder zelluläre Bestandteile, also mit einem bestimmten Reinheitsgrad, bereitgestellt wird. The term "isolated" with respect to peptides having hydrogenase activity, in the context of the present specification, includes peptides taken out of one environment and thus separated from the other components of that environment, for example one naturally occurring in a cell of an organism However, the term "isolated" in this context does not necessarily mean that it isolated from the cell Peptide without any other peptides or cellular components, so with a certain degree of purity is provided.
Der Begriff „rekombinant" im Bezug auf Peptide mit Hydrogenase-Aktivität schließt im Kontext der gegenwärtigen Schrift Peptide, die unter der Verwendung dem Fachmann bekannter, DNA Technologien, also biotechnologisch, hergestellt wurden, ein. Rekombinante Peptide mit Hydrogenase-Aktivität schließen durch Verkürzung, Mutation, oder Fusion biotechnologisch hergestellte Hydrogenasevarianten ein. Hydrogenase- Mimics, können auch mit Hilfe rekombinanter DNA Technologien hergestellt werden. The term "recombinant" with respect to peptides with hydrogenase activity, in the context of the present specification, includes peptides produced using DNA technologies known to those skilled in the art, ie, biotechnologically., Recombinant peptides with hydrogenase activity close by shortening, Mutation or fusion of biotechnologically engineered hydrogenase variants, hydrogenase mimics, can also be made using recombinant DNA technology.
Der Begriff „synthetisch" im Bezug auf Peptide mit Hydrogenase-Aktivität schließt im Kontext der gegenwärtigen Schrift Peptide, die unter der Verwendung dem Fachmann bekannter Peptidsynthese Technologien, zum Beispiel durch die festphasige Peptidsynthese, hergestellt wurden, ein. Bei der Bildung eines synthetischen Peptids werden die Aminosäuren typischerweise von den Karboxylatgruppen vorwärts hinzugefügt, wobei die ribosomgetriebene Peptidsynthese im zellulären Milieu Aminosäuren beginnend mit den Aminogruppen verbindet. Zudem ermöglicht die synthetische Herstellung von Peptiden mit Hydrogenase-Aktivität den Einbau ungewöhnlicher Aminosäurebausteine, D-Aminosäuren und Linkermoleküle sowie Peptidcyclisierungen, welche sich positiv auf die Hydrogenase-Aktivität perse, oder deren Sauerstoffresistenz auswirken können. The term "synthetic" with respect to peptides having hydrogenase activity, in the context of the present specification, includes peptides made using technology known to one of skill in the art of peptide synthesis, for example, by solid-phase peptide synthesis, in the formation of a synthetic peptide the amino acids are typically added by the carboxylate groups forward, whereby the ribosome-driven peptide synthesis in the cellular environment connects amino acids starting with the amino groups, and the synthetic production of peptides with hydrogenase activity allows the incorporation of unusual amino acid building blocks, D-amino acids and linker molecules, as well as peptide cyclizations that are positive persevere on the hydrogenase activity, or whose oxygen resistance can affect.
In einer oder mehreren vorteilhaften Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung, werden Peptide mit Hydrogenase-Aktivität verwendet, welche [Fe], [Fe Fe], [Fe Ni] oder [Ni Fe Se] Komplexe in ihrem aktiven Zentrum aufweisen. Vorteilhafterweise ist die die Hydrogenase-Aktivität der erfindungsgemäßen Peptide Sauerstoff-resistent. In one or more advantageous embodiments of the present invention, peptides with hydrogenase activity are used which have [Fe], [Fe Fe], [Fe Ni] or [Ni Fe Se] complexes in their active center. Advantageously, the hydrogenase activity of the peptides of the invention is oxygen-resistant.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren, und wie noch ausführlicher beschrieben, ist es vorteilhaft, dass Peptide mit Hydrogenase-Aktivität in ihren aktiven Zentren Kohlenmonoxid (CO) als Ligand der Metallionen beherbergen können, bzw., dass diese, für eine Zelle oder einen Organismus typischerweise stark toxische Verbindung, der Aktivität der Hydrogenase nicht abträglich ist. Die Verwendung solcher Peptide, die Hydrogenasevarianten, Hydrogenase-ähnliche Peptide oder auch Hydrogenase-Mimics sein können, ist daher ebenfalls erfindungsgemäß.
Typischerweise werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren Peptide mit Hydrogenase- Aktivität verwendet, welche In the method of the invention, and as described in more detail below, it is advantageous that peptides with hydrogenase activity in their active sites can harbor carbon monoxide (CO) as the ligand of the metal ions, or that they are typically strong for a cell or organism toxic compound that is not detrimental to the activity of the hydrogenase. The use of such peptides, which may be hydrogenase variants, hydrogenase-like peptides or else hydrogenase mimics, is therefore likewise according to the invention. Typically, in the process according to the invention, peptides with hydrogenase activity are used which
(a) aus Grünalgen und/oder Cyanobakterien isoliert sind, oder (a) are isolated from green algae and / or cyanobacteria, or
(b) rekombinant oder synthetisch hergestellt sind und eine Aminosäuresequenz beinhalten, die der Aminosäuresequenz von Peptiden mit Hydrogenase-Aktivität aus Grünalgen und/oder Cyanobakterien identisch oder ähnlich ist. (b) are produced recombinantly or synthetically and include an amino acid sequence identical or similar to the amino acid sequence of peptides having hydrogenase activity from green algae and / or cyanobacteria.
Methoden zum Vergleich von Aminosäuresequenzen und zur Identifizierung von homologen Regionen in den zu vergleichenden Sequenzen sind dem Fachmann bekannt. Eine signifikante Ähnlichkeit von Aminosäuresequenzen liegt vor wenn die Sequenzen zu mehr als 80%, insbesondere zu mehr als 85%, insbesondere zu mehr als 90%, insbesondere zu mehr als 95%, insbesondere zu mehr als 98%, insbesondere zu mehr als 99% identisch sind. Methods for comparing amino acid sequences and for identifying homologous regions in the sequences to be compared are known to the person skilled in the art. A significant similarity of amino acid sequences is present when the sequences to more than 80%, in particular more than 85%, in particular more than 90%, in particular more than 95%, in particular more than 98%, in particular more than 99% are identical.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Grünalgen und Cyanobakterien aus der Gruppe bestehend aus: Chlamydomonas reinhardtii; Raistonia eutropha; Paracoccus spp., Pyrococcus spp., Alcaligenes spp., Bradyrhizobium spp., Oligotropha spp., Acidovorax spp., Hydogenaphaga spp., Carboxydothermus spp., Desulfovibrio spp., Megasphaera eisdenii; Scenedesmus obiiquus; Desuifomicrobium bacuiatum; Raistonia metallidurans; Clostridium acetobutylicum; Clostridium pasteurianum; Aquifex aeoiicus; Synechococcus BG04351; Synechococcus elongatus PCC 7942; Spirulina spp; Chroococcidiopsis spp.; Synechocystis PCC 6803; Anabaena PCC 7120; Thiocapsa roseopersicina; Allochromatium vinosum; Desulfovibrio fructosovorans; Desulfovibrio gigas; Nostoc punctiforme; Fischereil muscicola; Anabaena siamensis; Cyanothece spp; Gloeocapsa alpicola; Aphanothece halophytica; Arthrospira maxima; Thiocapsa roseopersicina; Alteromonas macieodii; Aquifex aeoiicus; Rubrivivax geiatinosus; und Shewanella oneidensis ausgewählt. Typischerweise werden die zur Erzeugung von Wasserstoff verwendeten Peptide mit Hydrogenase-Aktivität in einer wässrigen Lösung bereitgestellt. In manchen Ausführungsformen sind die Peptide mit Hydrogenase-Aktivität an ein Trägermaterial gebunden, zum Beispiel durch Adsorption, durch Vernetzung, durch ionische Bindung, durch kovalente Bindung, durch Immuno-Affinität, durch ein Spacermoekül (zum Beispiel durch bi-reaktives Linkerpeptid, ein bi-reaktives Alkan oder Alken, oder durch ein Alkin). Die Bindung an das Trägermaterial ermöglicht die
Abtrennung des Trägermaterials mit den gebundenen Peptiden aus dem Reaktionsgemisch, wobei das erfindungsgemäß bevorzugte Trägermaterial aus der Gruppe bestehend aus: Kieselgelpartikel; Aluminiumhydroxid (Al2(OH)3), Aluminiumoxidhydroxid (AIO(OH)), Aluminiumoxid (AI2O3); Materialien, welche zur Abtrennung mittels lonenaustausch- oder Affinitätschromatographie verwendbar sind, zum Beispiel Kieselgelpartikel, die zur Bindung eines Peptids mit Hydrogenase-Aktivität angepasst sind, insbesondere durch einen Überzug mit für die Peptide spezifischen Antikörpern, oder durch einen Überzug mit dem jeweiligen Affinitätspartner für His-, Myc-, HA-, FLAG-, Avi-, Protein A-, Protein G-, Calmodulin-, TAP-, Strep-, or GST-Tags; Titanoxid; und Siliciden (zum Beispiel Silicide mit Kupfer (Cu), Titan (Ti), Platin (Pt), Palladium (Pd), Eisen (Fe), Nickel (Ni), Blei (Pb), Gallium (Ga), Indium (In), Kadmium (Cd), Ruthenium (Ru), Kobalt (Co), Silber (Ag), Gold (Au), Iridium (Ir), Osmium (Os), Quecksilber (Hg), Zink (Zn), Hafnium (Hf), Zirkonium (Zr), Vanadium (V), Niob (Nb), Molybdän (Mo), Tungsten (W), Chrom (Cr) oder Mangan (Mn)), ausgewählt ist. In an advantageous embodiment, the green algae and cyanobacteria are selected from the group consisting of: Chlamydomonas reinhardtii; Raistonia eutropha; Paracoccus spp., Pyrococcus spp., Alcaligenes spp., Bradyrhizobium spp., Oligotropha spp., Acidovorax spp., Hydogenaphaga spp., Carboxydothermus spp., Desulfovibrio spp., Megasphaera eisdenii; Scenedesmus obiiquus; Desuifomicrobium bacuiatum; Raistonia metallidurans; Clostridium acetobutylicum; Clostridium pasteurianum; Aquifex aeoicus; Synechococcus BG04351; Synechococcus elongatus PCC 7942; Spirulina spp; Chroococcidiopsis spp .; Synechocystis PCC 6803; Anabaena PCC 7120; Thiocapsa roseopersicina; Allochromium vinosum; Desulfovibrio fructosovorans; Desulfovibrio gigas; Nostoc punctiforme; Fishing muscicola; Anabaena siamensis; Cyanothece spp; Gloeocapsa alpicola; Aphanothece halophytica; Arthrospira maxima; Thiocapsa roseopersicina; Alteromonas macieodii; Aquifex aeoicus; Rubrivivax geiatinosus; and Shewanella oneidensis selected. Typically, the peptides used to generate hydrogen are provided with hydrogenase activity in an aqueous solution. In some embodiments, the peptides having hydrogenase activity are attached to a support material, for example, by adsorption, by cross-linking, by ionic bonding, by covalent bonding, by immunoaffinity, by a spacer molecule (for example, by bi-reactive linker peptide, a bi reactive alkane or alkene, or by an alkyne). The bond to the substrate allows the Separation of the carrier material with the bound peptides from the reaction mixture, wherein the preferred carrier material according to the invention from the group consisting of: silica gel particles; Aluminum hydroxide (Al 2 (OH) 3), aluminum oxide hydroxide (AIO (OH)), alumina (Al 2 O 3); Materials useful for separation by ion exchange or affinity chromatography, for example, silica gel particles adapted to bind a peptide having hydrogenase activity, in particular by coating with antibodies specific for the peptides, or by coating with the respective affinity partner for His , Myc, HA, FLAG, Avi, protein A, protein G, calmodulin, TAP, Strep, or GST tags; titanium oxide; and silicides (for example, silicides with copper (Cu), titanium (Ti), platinum (Pt), palladium (Pd), iron (Fe), nickel (Ni), lead (Pb), gallium (Ga), indium (In ), Cadmium (Cd), ruthenium (Ru), cobalt (Co), silver (Ag), gold (Au), iridium (Ir), osmium (Os), mercury (Hg), zinc (Zn), hafnium (Hf ), Zirconium (Zr), vanadium (V), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tungsten (W), chromium (Cr) or manganese (Mn)).
Zum Beispiel kann das Trägermaterial mit gebundenen Peptiden mit Hydrogenase- Aktivität vorteilhafterweise aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt werden. Dadurch lässt sich die zum Beispiel die Menge von aktiven Peptiden mit Hydrogenase-Aktivität im Reaktionsgemisch unkompliziert regulieren/skalieren, und damit die Produktionsrate der Hydrogenese ebenfalls vorteilhaft regulieren/skalieren. Außerdem ist so vorteilhafterweise auch ein schnelles „Abschalten" des Hydrogenesereaktors möglich. Zudem erlaubt die unkomplizierte und effiziente Abtrennung der Peptide mit Hydrogenase-Aktivität das Wechseln des Reaktionsgemischs ohne zu signifikanten Verlusten der Peptide zu führen. Das Abtrennen ermöglicht weiterhin die Regeneration der Hydrogenasen außerhalb des Reaktionsgemisches, zum Beispiel zu unter sauerstofffreien Bedingungen. For example, the carrier with bound peptides having hydrogenase activity can be advantageously separated from the reaction mixture. As a result, for example, the amount of active peptides with hydrogenase activity in the reaction mixture can be easily regulated / scaled, thus also advantageously regulating / scaling the rate of production of the hydrogenase. In addition, a rapid turn-off of the hydrogenereactor is advantageously possible, and the uncomplicated and efficient separation of the peptides with hydrogenase activity allows the reaction mixture to be switched without causing significant losses of the peptides Reaction mixture, for example under oxygen-free conditions.
In bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens der gegenwärtigen Erfindung werden die Peptide mit Hydrogenase-Aktivität durch die Aufnahme von Elektronen aktiviert, wobei die Elektronen den Peptiden durch einen Elektronendonator bereitgestellt werden. Insbesondere werden die Elektronen bevorzugt: In preferred embodiments of the method of the present invention, the peptides with hydrogenase activity are activated by the uptake of electrons, the electrons being provided to the peptides by an electron donor. In particular, the electrons are preferred:
(a) durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an Elektroden, die in das wässrige Reaktionsgemisch eingebracht sind, insbesondere durch Platin-, Kupfer-, Titan-, Silikon-, Palladium-, Eisen-, Nickel-, Blei-, Gallium-, Indium-, Kadmium-,
Ruthenium-, Kobalt-, Silber-, Gold-, Iridium-, Osmium-, Quecksilber-, Zink-, Hafnium-, Zirkonium-, Vanadium-, Niob-, Molybdän-, Tungsten-, Chrom- oder Mangan-Elektroden; und/oder (b) durch eine Weitergabe von Elektronen über eine Elektronentransportkette im wässrigen Reaktionsgemisch, insbesondere eine Elektronentransportkette in der wenigstens ein Elektronendonator wie NADH mitwirkt, oder in der wenigstens ein Photosensibilisator aus der Gruppe der Porphyrine, zum Beispiel Zink- Tetraphenylprophyrin-Tetrasulfonat (ZnTPPS) oder Chlorophyll, oder mitwirkt, oder in der wenigstens ein Elektronen-Träger wie Methylviologen mitwirkt, bereitgestellt. (A) by the application of an electrical voltage to electrodes, which are introduced into the aqueous reaction mixture, in particular by platinum, copper, titanium, silicon, palladium, iron, nickel, lead, gallium, indium , Cadmium, Ruthenium, cobalt, silver, gold, iridium, osmium, mercury, zinc, hafnium, zirconium, vanadium, niobium, molybdenum, tungsten, chromium or manganese electrodes; and / or (b) by transfer of electrons via an electron transport chain in the aqueous reaction mixture, in particular an electron transport chain in which at least one electron donor such as NADH participates, or in which at least one photosensitizer from the group of porphyrins, for example zinc tetraphenylprophyrin tetrasulfonate ( ZnTPPS) or chlorophyll, or co-acting, or in which at least one electron carrier such as methyl viologen co-operates.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die elektrische Spannung durch Über- schussenergie aus Anlagen zur alternativen Energieerzeugung bereitgestellt. Zum Beispiel können die erfindungsgemäßen Peptide mit Hydrogenase-Aktivität zur Aktivierung kovalent mit einer der Elektroden - der Anode - verbunden werden und so die von der Elektrode abgegebenen Elektronen direkt zur Aktivierung nutzen, insbesondere durch die direkte Übertragung von Elektronen an der Bindungsschnittstelle von Peptid und Elektrode. In a preferred embodiment, the electrical voltage is provided by excess energy from alternative energy generation plants. For example, for activation, the peptides of the invention having hydrogenase activity can be covalently linked to one of the electrodes - the anode - and thus directly utilize the electrons delivered by the electrode for activation, in particular by the direct transfer of electrons at the binding interface of peptide and electrode ,
Alternativ, kann ein Photosensibilisator durch Licht wenigstens einer Lichtquelle angeregt werden und so die zur Aktivierung benötigten Elektronen bereitstellen. Ein möglicher Photosensibilisator, welcher eigenständig zur Hydrogenese beitragen kann ist Titanium- oder Cobalt-Silicid. Insbesondere ist Titanium-Silicid weiterhin vorteilhafterweise Sauerstoff zu binden und kann so multimodal im Reaktionsgemisch wirken. Alternatively, a photosensitizer may be excited by light from at least one light source to provide the electrons required for activation. One possible photosensitizer that can independently contribute to hydrogenation is titanium or cobalt silicide. In particular, titanium silicide is furthermore advantageously able to bind oxygen and thus can act multimodally in the reaction mixture.
In einer weiteren vorteilhaften Elektronentransportkette, kann zum Beispiel der Photosensibilisator ZnTPPS im Reaktionsgemisch gemeinsam mit NADH vorliegen. Der Photosensibilisator kann dann durch Licht unter Aufnahme von Elektronen von NADH in seinen angeregten Zustand gebracht werden und wiederum Elektronen an den Elektronen-Träger Methylviologen weitergeben. Methylviologen kann dann als Elektronendonator fungieren und Elektronen zur Aktivierung an die Peptide mit Hydrogenase-Aktivität weiterleiten. In besonders vorteilhaften Ausführungsformen kann
der Photosensibilisator durch Licht mehrerer Lichtquellen angeregt werden, welche drahtlos mit Energie versorgt werden, und welche während der Hydrogenese frei im wässrigen Reaktionsgemisch suspendiert sind. Vorteilhafterweise kann durch das Einbringen der Lichtquellen in das Reaktionsgemisch Licht homogener im Reaktorraum verteilt werden, und der Reaktordurchmesser muss nicht mehr durch die begrenzte Lichteindringtiefe externer Beleuchtungen begrenzt sein. Durch resonante induktive Nahfeldkopplung, können die Lichtquellen, die in der Regel höchst energieeffiziente LED Lichtquellen sind, drahtlos mit Energie versorgt werden. Zum Beispiel kann eine Sendespule ein wechselndes Magnetfeld im Reaktionsgemisch erzeugen, welches die Lichtquellen induktiv mit Energie versorgen kann. In besonderen Ausführungsformen können die zu aktivierenden Peptide mit Hydrogenase-Aktivität, sowie die Photosensibilisatoren direkt an die Oberflächen der im Reaktionsgemisch suspendierten Lichtquellen gebunden werden. Das wässrige Reaktionsgemisch ist meist anaerob und weist erfindungsgemäß einen Sauerstoff-Gehalt von bis zu 0,8 Volumen %, insbesondere bis zu 0,6 Volumen %, insbesondere bis zu 0,4 Volumen %, insbesondere bis zu 0,2 Vol.-%, insbesondere bis zu 0,1 Vol.-%, insbesondere 0,05 Vol-% auf, oder ist sauerstofffrei. Um den Sauerstoffgehalt zu regulieren, kann Sauerstoff in dem wässrigen Reaktionsgemisch während oder nach der Hydrogenese gebunden werden, insbesondere durch Zugabe zumindest eines Bindemittels. In alternativen Ausführungsformen kann der Sauerstoffgehalt des Reaktionsgemisches durch Beaufschlagung mit einer sauerstofffreien Atmosphäre aus, zum Beispiel, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid oder einem inerten Gas, wie zum Beispiel Argon oder Stickstoff, reguliert werden. In solchen Ausführungsformen ist es besonders vorteilhaft das Volumen der Gasphase möglichst gering zu halten. In a further advantageous electron transport chain, for example, the photosensitizer ZnTPPS may be present in the reaction mixture together with NADH. The photosensitizer can then be brought into its excited state by light taking up electrons from NADH and in turn pass electrons on to the electron carrier methylviologen. Methyl viologen may then function as an electron donor and pass electrons to the peptides with hydrogenase activity for activation. In particularly advantageous embodiments can the photosensitizer is excited by light from multiple light sources, which are supplied with power wirelessly, and which are freely suspended in the aqueous reaction mixture during hydrogenation. Advantageously, by introducing the light sources into the reaction mixture, light can be distributed more homogeneously in the reactor space, and the reactor diameter no longer has to be limited by the limited light penetration depth of external illuminations. Through resonant inductive near-field coupling, the light sources, which are usually highly energy-efficient LED light sources, can be powered wirelessly. For example, a transmit coil may generate an alternating magnetic field in the reaction mixture that can inductively energize the light sources. In particular embodiments, the peptides to be activated with hydrogenase activity, as well as the photosensitizers, can be bound directly to the surfaces of the light sources suspended in the reaction mixture. The aqueous reaction mixture is usually anaerobic and according to the invention has an oxygen content of up to 0.8% by volume, in particular up to 0.6% by volume, in particular up to 0.4% by volume, in particular up to 0.2% by volume. , in particular up to 0.1% by volume, in particular 0.05% by volume, or is oxygen-free. In order to regulate the oxygen content, oxygen can be bound in the aqueous reaction mixture during or after the hydrogenation, in particular by adding at least one binder. In alternative embodiments, the oxygen content of the reaction mixture may be regulated by exposure to an oxygen-free atmosphere of, for example, carbon monoxide, carbon dioxide or an inert gas such as argon or nitrogen. In such embodiments, it is particularly advantageous to keep the volume of the gas phase as low as possible.
Mit anderen Worten kann, im erfindungsgemäßen Verfahren, der Sauerstoffgehalt des Reaktionsgemisches kontinuierlich bereits während der Sauerstoffentstehung reguliert werden. Dies hat Vorteile im Bezug auf gleichbleibende Reaktionsbedingungen, so dass keine Störung bzw. Unterbrechung der Wasserstoffproduktion eintritt. Dabei soll betont werden, dass - auch im Folgenden - der Begriff „Sauerstoff" explizit auch Sauerstoffradikale umfasst, welche ebenfalls die Hydrogenese hemmen.
Darüber hinaus ist erkannt worden, dass auch in den Methanogenese-Bakterien intrazellulär vorhandener Sauerstoff die Methanogenese behindert. Deswegen wird im Folgenden auch eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, bei der der intrazelluläre Sauerstoff der Methanogenese-Bakterien ebenfalls gebunden wird. Die nachfolgend anhand der Hydrogenese vorgeschlagenen vorteilhaften Ausführungsformen zur Bindung des Sauerstoffs sind deswegen ausdrücklich nicht auf den Hydrogenese- Schritt beschränkt. Vielmehr eignen sich diese Weiterbildungen auch in vorteilhafter Weise zur Bindung des intrazellulären Sauerstoffs der Methanogenese-Bakterien und werden auch diesbezüglich als Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen. In other words, in the process according to the invention, the oxygen content of the reaction mixture can be continuously regulated already during the oxygen evolution. This has advantages in terms of constant reaction conditions, so that no disruption or interruption of hydrogen production occurs. It should be emphasized that - also in the following - the term "oxygen" explicitly includes oxygen radicals, which also inhibit the hydrogenase. In addition, it has been recognized that even in the methanogenesis bacteria intracellular oxygen hinders the methanogenesis. Therefore, a preferred embodiment of the method is proposed in the following, in which the intracellular oxygen of the methanogenesis bacteria is also bound. The advantageous embodiments for binding the oxygen which are subsequently proposed by way of hydrogenation are therefore expressly not restricted to the hydrogenase step. Rather, these developments are also advantageously for binding the intracellular oxygen of the methanogenesis bacteria and are also proposed in this regard as embodiments of the method according to the invention.
Es wird eine Ausführungsform bevorzugt, bei der der Sauerstoff durch Zugabe zumindest eines Bindemittels gebunden wird. Dabei wird bevorzugt, dass das bzw. die Bindemittel nach der Aufnahme von Sauerstoff regeneriert wird bzw. werden. Dadurch kann im günstigsten Fall das Bindemittel im Reaktionsgemisch oder innerhalb der Bakterienzellen verbleiben und dort erneut wirksam werden. Des Weiteren wird damit ein kostengünstiges und umweltfreundliches Verfahren realisiert. An embodiment is preferred in which the oxygen is bound by adding at least one binder. It is preferred that the or the binder is regenerated or after the absorption of oxygen. As a result, in the most favorable case, the binder can remain in the reaction mixture or within the bacterial cells and be effective again there. Furthermore, a cost-effective and environmentally friendly process is realized.
Bevorzugterweise wird der Sauerstoff biochemisch oder chemisch gebunden und das bzw. die Bindemittel werden nach der Aufnahme von Sauerstoff regeneriert. Bindemittel die zur biochemischen Bindung des Sauerstoffs zu dem Reaktionsgemisch erfindungsgemäß beigegeben werden sind Hämoglobin, Myoglobin oder Porphyrin. Preferably, the oxygen is bound biochemically or chemically and the binder or binders are regenerated after the uptake of oxygen. Binders which are added according to the invention for the biochemical binding of the oxygen to the reaction mixture are hemoglobin, myoglobin or porphyrin.
In diesem Zusammenhang wird zunächst ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem als Bindemittel Hämoglobin oder Myoglobin zugegeben wird. Hierbei kann biochemisch hergestelltes Hämoglobin oder Myoglobin in den Hydrogenese-Bioreaktor eingebracht werden. Im Bezug auf das Einbringen des Hämoglobins oder Myoglobins während der Methanogenese kann dies dadurch begünstigt werden, dass die Membranen der Bakterien mittels Elektroporation geöffnet werden. Bei der Elektroporation werden die Zellen kurz starken elektrischen Feldern ausgesetzt, wodurch die Plasmamembranen vorübergehend permeabel werden. Dadurch kann Hämoglobin oder Myoglobin besonders einfach in die Zellen eindringen und den intrazellulären Sauerstoff binden. In einer
weiteren Ausgestaltung wird das Hämoglobin oder das Myoglobin mittels biotechnologischer DNA-Transkriptionstechnik gentechnisch in das Genom der Bakterien eingebracht, so dass das Hämoglobin oder Myoglobin künftig von der Zelle selber hergestellt werden kann. In this connection, a method is first proposed in which hemoglobin or myoglobin is added as a binding agent. In this case, biochemically produced hemoglobin or myoglobin can be introduced into the hydrogenation bioreactor. With respect to the introduction of hemoglobin or myoglobin during methanogenesis, this may be facilitated by opening the membranes of the bacteria by electroporation. During electroporation, the cells are briefly exposed to strong electric fields, whereby the plasma membranes are temporarily permeable. This makes it particularly easy for hemoglobin or myoglobin to enter cells and bind intracellular oxygen. In a In another embodiment, the hemoglobin or the myoglobin is genetically engineered into the genome of the bacteria by means of biotechnological DNA transcription technology so that the hemoglobin or myoglobin can be produced by the cell itself in the future.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird als Bindemittel Porphyrin zugegeben, welches bevorzugt in der Form von Porphyrin-Eisenkomplexen in den Hydrogenese-Bioreaktor eingebracht wird. Dabei können die Porphyrine sterisch gehindert sein, so dass die Sauerstoffaufnahme eine Reduktion des Eisens verhindert. Auch das Eindringen des Porphyrins in die Bakterienzelle kann durch Elektroporation begünstigt werden. In a further development of the method, porphyrin is added as binder, which is preferably introduced in the form of porphyrin-iron complexes in the hydrogenase bioreactor. The porphyrins can be hindered sterically, so that the oxygen uptake prevents a reduction of the iron. Also, the penetration of porphyrin into the bacterial cell can be promoted by electroporation.
In Bezug auf die vorgenannten Weiterbildungen des Verfahrens wird eine Ausgestaltung bevorzugt, bei der das Hämoglobin oder Myoglobin und/oder das Porphyrin nach der Aufnahme von Sauerstoff elektrochemisch und/oder biochemisch und/oder physikalisch regeneriert wird bzw. werden. Zunächst kann das Hämoglobin oder Myoglobin bzw. können die Porphyrin-Eisenkomplexe mittels elektrochemischer Reduktion zu Eisenion (Fe2+)-Komplexen reduziert werden. Des Weiteren lassen sich Hämoglobin oder Myoglobin und Porphyrin-Eisenkomplexe mittels biochemischer Reduktion mit dem Enzym NADPH zu den bereits genannten Eisenion-Komplexen reduzieren. With regard to the abovementioned developments of the method, an embodiment is preferred in which the hemoglobin or myoglobin and / or the porphyrin is / are regenerated electrochemically and / or biochemically and / or physically after the absorption of oxygen. First, the hemoglobin or myoglobin or the porphyrin iron complexes can be reduced by electrochemical reduction to iron ion (Fe 2+ ) complexes. Furthermore, hemoglobin or myoglobin and porphyrin-iron complexes can be reduced by biochemical reduction with the enzyme NADPH to the already mentioned iron ion complexes.
Schließlich kann Hämoglobin oder Myoglobin bevorzugt während einer Phase in der die Sauerstoffbildung durch verminderte Hydrogenase-Aktivität verringert ist physikalisch regeneriert werden, in dem es mit Kohlendioxid beaufschlagt wird. Die Kohlendioxid- Moleküle verdrängen bei Vorliegen eines genügend hohen Partialdrucks die Sauerstoffmoleküle aus dem Hämoglobin oder Myoglobin und nehmen deren Plätze ein.Finally, hemoglobin or myoglobin may preferably be physically regenerated during a phase in which oxygen production is reduced by decreased hydrogenase activity by being exposed to carbon dioxide. The carbon dioxide molecules displace the oxygen molecules from the hemoglobin or myoglobin and take their places in the presence of a sufficiently high partial pressure.
In Ausführungsformen in denen eine Hydrogenaseaktivierung mittels einer Elektronentransportkette sichergestellt wird, welche einen Photosensibilisator beinhaltet, kann dies zum Beispiel während einer Dunkelphase geschehen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Sauerstoff chemisch gebunden. In embodiments in which hydrogenase activation is ensured by means of an electron transport chain which includes a photosensitizer, this can be done, for example, during a dark phase. In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the oxygen is chemically bound.
Dabei wird zunächst bevorzugt, dass als Bindemittel Hydrazin und/oder ein Hydrazinsalz, insbesondere Eisen-Hydrazin, zugegeben wird. Das Hydrazin wird direkt in den
Hydrogenese-Bioreaktor eingebracht. Das Hydrazin oder dessen Salze entfalten eine reduzierende Wirkung, so dass Sauerstoff oder Sauerstoffradikale gebunden werden. It is initially preferred that hydrazine and / or a hydrazine salt, in particular iron hydrazine, is added as the binder. The hydrazine is directly in the Hydrogenesis bioreactor introduced. The hydrazine or its salts exhibit a reducing effect, so that oxygen or oxygen radicals are bound.
Eine weitere Möglichkeit der chemischen Bindung von Sauerstoff besteht darin, dass als Bindemittel ein Terpen, insbesondere α-Terpen und/oder Isopren, und/oder ein Derivat hiervon zugegeben wird. Terpene weisen im Allgemeinen eine reduzierende Wirkung auf, so dass im Reaktionsgemisch vorhandener Sauerstoff oder Sauerstoffradikale gebunden werden. In besonders bevorzugter Weise wird zu dem Terpen noch der Triphenylmethan- Farbstoff Eosin und/oder ein Hämprotein der Cytochrom P450-Familie zugegeben. Diese Substanzen verstärken als sogenannte Photosensibilisatoren die reduzierende Wirkung des Terpens und können dem Verfahren auch durch die oben erwähnte Aktivierung durch Licht Elektronen zur Aktivierung der Peptide mit Hydrogenase-Aktivität liefern. Another possibility for the chemical bonding of oxygen is that a binder, in particular α-terpene and / or isoprene, and / or a derivative thereof is added as a binder. Terpenes generally have a reducing effect so that oxygen or oxygen radicals present in the reaction mixture are bound. In a particularly preferred manner, the triphenylmethane dye eosin and / or a heme protein of the cytochrome P450 family are added to the terpene. These substances, as so-called photosensitizers, enhance the reducing action of the terpene and, by the above-mentioned activation by light, can also provide electrons to the process for the activation of the peptides with hydrogenase activity.
In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens können das, bzw. die Bindemittel im Reaktionsgemisch an ein Trägermaterial gebunden sein. Das Trägermaterial kann aus der Gruppe bestehend aus: Kieselgelpartikel; Aluminiumhydroxid (Al2(OH)3), Aluminiumoxidhydroxid (AIO(OH)), Aluminiumoxid (AI2O3); Materialien, welche zur Abtrennung mittels lonenaustausch- oder Affinitätschromatographie verwendbar sind, zum Beispiel Kieselgelpartikel, die zur Bindung des Bindemittels angepasst sind, insbesondere durch einen Überzug mit für das Bindemittel spezifischen Antikörpern, oder für die Bindung des Bindemittels spezifischen Ionen; Platin; Kupfer; Titan; Silikon; Palladium; Eisen; Nickel; Blei; Gallium; Indium; Kadmium; Ruthenium; Kobalt; Silber; Gold; Iridium; Osmium; Quecksilber; Zink; Hafnium; Zirkonium; Vanadium; Niob; Molybdän; Tungsten; Chrom und Mangan, oder Legierung hiervon, ausgewählt sein. Die Bindung an das Trägermaterial erlaubt die kontinuierliche Entfernung von mit Sauerstoff belegtem Bindemittel aus dem Reaktionsgemisch, Regeneration des Bindemittels außerhalb des Reaktionsgemisch, zum Beispiel durch die oben erwähnte Kohlendioxid Beaufschlagung und die Rückführung des so regenerierten Bindemittels ins Reaktionsgemisch. In further embodiments of the method according to the invention, or the binders in the reaction mixture may be bound to a support material. The support material may be selected from the group consisting of: silica gel particles; Aluminum hydroxide (Al 2 (OH) 3), aluminum oxide hydroxide (AIO (OH)), alumina (Al 2 O 3); Materials useful for separation by ion exchange or affinity chromatography, for example, silica gel particles adapted to bind the binder, particularly by coating with antibodies specific for the binder, or ions specific for the binding of the binder; Platinum; Copper; Titanium; Silicone; Palladium; Iron; Nickel; Lead; Gallium; indium; Cadmium; ruthenium; Cobalt; Silver; Gold; Iridium; Osmium; Mercury; Zinc; Hafnium; Zirconium; vanadium; Niobium; Molybdenum; Tungsten; Chromium and manganese, or alloy thereof, to be selected. Binding to the support material allows the continuous removal of oxygenated binder from the reaction mixture, regeneration of the binder outside the reaction mixture, for example, by the above-mentioned carbon dioxide impingement and the recycling of the thus regenerated binder into the reaction mixture.
In Ausführungsformen in denen sowohl die Peptide mit Hydrogenase-Aktivität als auch das bzw. die Bindemittel an ein Trägermaterial gebunden vorliegen, ist das Trägermaterial, bzw. sind die Trägermaterialien so ausgewählt, dass bei Bedarf eine differenzierte Trennung der Peptide mit Hydrogenase-Aktivität und dem Bindemittel erzielt
wird. Zum Beispiel ist das Bindemittel an ein magnetisches Trägermaterial wie zum Beispiel Dynabeads® (ThermoFischer) gebunden, und wird periodisch durch eine magnetische Abtrennung aus dem Reaktionsgemisch entfernt, und durch frisches/regeneriertes Bindemittel ersetzt. In diesen Ausführungsformen können die Peptide mit Hydrogenase-Aktivität zum Beispiel an ein nicht-magnetisches, poröses Trägermaterial, wie zum Beispiel Kieselgelpartikel, kovalent gebunden vorliegen. In embodiments in which both the peptides with hydrogenase activity and the binder (s) are bound to a carrier material, the carrier material or carrier materials are selected such that, if required, a differentiated separation of the peptides with hydrogenase activity and the Binder achieved becomes. For example, the binder is bound to a magnetic carrier such as Dynabeads® (ThermoFischer) and is periodically removed from the reaction mixture by magnetic separation and replaced with fresh / regenerated binder. In these embodiments, for example, the peptides having hydrogenase activity may be covalently attached to a non-magnetic, porous support material, such as silica gel particles.
Weiterhin erfolgt im erfindungsgemäßen Verfahren sowohl Furthermore, both are carried out in the process according to the invention
(a) die Abtrennung der gasförmigen Zwischenprodukte Wasserstoff und Sauerstoff von dem wässrigen Reaktionsgemisch, als auch (a) the separation of the gaseous intermediates hydrogen and oxygen from the aqueous reaction mixture, as well
(b) die Abtrennung des Methans von dem Bakterienmedium, über eine Membran, insbesondere über eine poröse Membran aus CLPE (cross-linked Polyethylene), insbesondere über eine CLPE-Membran mit einer inneren Schicht aus PATBS (Poly(acrylamid-tert-butyl-sulfonsäure)). (b) the separation of the methane from the bacterial medium, via a membrane, in particular via a porous membrane of CLPE (cross-linked polyethylene), in particular via a CLPE membrane with an inner layer of PATBS (poly (acrylamide-tert-butyl) sulfonic acid)).
Im Bezug auf die Bereitstellung eines umweltfreundlichen Verfahrens zur Methanherstellung, sei bemerkt, dass durch den Verbrauch von Kohlendioxid während der erfindungsgemäßen Methangewinnung insgesamt ein kohlendioxidneutrales Verfahren angegeben ist. Dies bedeutet, dass das erzeugte Methan bei einer thermischen Umsetzung kein zusätzliches treibhausschädigendes Kohlendioxid produziert, da die entsprechende Kohlendioxidmenge bereits bei der Herstellung aus der Atmosphäre entnommen worden ist. With regard to the provision of an environmentally friendly process for producing methane, it should be noted that the consumption of carbon dioxide during the methane recovery according to the invention as a whole indicates a carbon dioxide-neutral process. This means that the methane produced does not produce any additional greenhouse-damaging carbon dioxide during a thermal conversion, since the corresponding amount of carbon dioxide has already been removed from the atmosphere during production.
In einer oder mehreren vorteilhaften Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung, wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren Sonnenlicht als Energiequelle verwendet, was die Energiebilanz des Verfahrens direkt verbessert. Das vorgeschlagene Verfahren kann daher alternativ zu den umweltfreundlichen Energiequellen Windenergie und Solarenergie zur Energiegewinnung genutzt werden. In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen, kann das erfindungsgemäße Verfahren allerdings auch besonders zur Effizienzsteigerung von bestehenden Windkraft- oder Photovoltaikanlagen genutzt werden. Insbesondere da das Verfahren die bei günstigen Wetterbedingungen im Überschuss produzierte Elektrizität zur Methanproduktion nutzbar macht und damit, zumindest teilweise, in einen herkömmlichen Energieträger umwandelt.
Durch regelmäßige Nutzung von Erdgas als Energieträger, besteht eine in Deutschland flächendeckende Infrastruktur von Gasspeichern, Gasnetzen und anderweitigen Transportwegen, die die Verteilung des Energieträgers Methan (und somit indirekt der Überschusselektrizität) ohne große infrastrukturelle Investitionen ermöglicht. In one or more advantageous embodiments of the present invention, sunlight is used as the energy source in the method according to the invention, which directly improves the energy balance of the method. The proposed method can therefore be used as an alternative to the environmentally friendly energy sources wind energy and solar energy for energy. In further advantageous embodiments, however, the method according to the invention can also be used in particular for increasing the efficiency of existing wind power or photovoltaic systems. In particular, since the process makes available the excessively produced in favorable weather conditions electricity for methane production and thus, at least partially, converted into a conventional energy source. Through the regular use of natural gas as an energy source, Germany has a nationwide infrastructure of gas storage facilities, gas networks and other transport routes, which enables the distribution of the energy source methane (and thus indirectly the surplus electricity) without major infrastructural investments.
Folglich ist ein umweltfreundliches und kostengünstiges Verfahren zur Gewinnung von Methan angegeben, das nicht nur auf die Nutzung fossiler Vorkommen verzichtet, sondern zusätzlich auch die effizientere Nutzung alternativer Energiequellen ermöglicht. In einer Weiterbildung des Verfahrens beinhaltet das zur Erzeugung von Wasserstoff verwendete Reaktionsgemisch einen Photosensibilisator und wird von der Lichtquelle, insbesondere dem Sonnenlicht, durch eine im Wesentlichen transparente Scheibe getrennt. Dadurch können die verwendeten Peptide mit Hydrogenase-Aktivität das Sonnenlicht als Energieträger verwerten. As a result, an environmentally friendly and cost-effective method of extracting methane is provided, which not only avoids the use of fossil resources, but also enables the more efficient use of alternative energy sources. In a development of the method, the reaction mixture used to generate hydrogen contains a photosensitizer and is separated from the light source, in particular sunlight, by a substantially transparent pane. As a result, the peptides used with hydrogenase activity can utilize sunlight as an energy carrier.
Sofern die Hydrogenese in einem wässrigen Reaktionsgemisch stattfindet, ist generell eine Ausführungsform bevorzugt, bei der die gasförmigen Zwischenprodukte Wasserstoff und Sauerstoff zunächst abgetrennt werden, bevor das Gasgemisch Wasserstoff und Sauerstoff aufgetrennt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die gasförmigen Zwischenprodukte Wasserstoff und Sauerstoff von dem Reaktionsgemisch durch eine Membran, insbesondere eine poröse Membran aus CLPE (cross-linked Polyethylene) abgetrennt. Dabei können die gasförmigen Zwischenprodukte durch die Membran diffundieren, während das in der Regel wässrige Reaktionsgemisch durch die Membran am Durchtritt gehindert wird. Dabei ist festgestellt worden, dass sich die genannte Membran aus CLPE besonders gut zur Abtrennung der vorliegenden Mischungspartner eignet. If the hydrogenation takes place in an aqueous reaction mixture, an embodiment is preferred in which the gaseous intermediates hydrogen and oxygen are first separated before the gas mixture hydrogen and oxygen is separated. In a preferred embodiment, the gaseous intermediates hydrogen and oxygen are separated from the reaction mixture by a membrane, in particular a porous membrane made of CLPE (cross-linked polyethylene). In this case, the gaseous intermediates can diffuse through the membrane, while the generally aqueous reaction mixture is prevented by the membrane at the passage. It has been found that said membrane made of CLPE is particularly suitable for the separation of the present mixing partners.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform wird die Membran beidseitig in eine hexagonal dichteste Kugelpackung festgelegt. Dadurch wird eine besonders sichere Fixierung der Membran erreicht. In a development of this embodiment, the membrane is fixed on both sides in a hexagonal close-packed spherical packing. As a result, a particularly secure fixation of the membrane is achieved.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine CLPE-Membran mit einer inneren Schicht aus PATBS (Poly(acrylamid-tert-butyl-sulfonsäure)) verwendet. Die innere Schicht aus
PATBS erhöht in weiter vorteilhafter Weise die Leistungsfähigkeit der vorgeschlagenen CLPE-Membran für die Abtrennung der vorliegenden Mischungspartner. In a further embodiment, a CLPE membrane with an inner layer of PATBS (poly (acrylamide-tert-butyl-sulfonic acid)) is used. The inner layer off PATBS further advantageously increases the performance of the proposed CLPE membrane for the separation of the present mixing partners.
In diesem Zusammenhang wird eine Weiterbildung des Verfahrens bevorzugt, bei dem einen mehrlagige Membran verwendet wird, deren Lagen zumindest bereichsweise miteinander verscheißt sind, insbesondere in einem Kreis- oder Wabenmuster. Durch das Verschweißen der verschiedenen Lagen der Membran wird eine erhöhte Druckfestigkeit bereitgestellt, so dass sich der Gasdruck in vorteilhafter Weise steigern lässt. In besonders vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens füllt das wässrige Reaktionsgemisch den Hydrogenesereaktorraum vollständig aus, so dass zwischen dem Reaktionsgemisch und der Membran keine oder nur eine minimale Gasphase besteht. Weiterhin kann der Reaktorraum so gestaltet sein, dass sich eine eventuell vorhanden Gasphase über ein Ventil entfernen lässt. In this context, a further development of the method is preferred, in which a multilayer membrane is used whose layers are at least partially verschraess each other, in particular in a circular or honeycomb pattern. By welding the various layers of the membrane, an increased pressure resistance is provided, so that the gas pressure can be increased in an advantageous manner. In particularly advantageous developments of the process according to the invention, the aqueous reaction mixture completely fills the hydrogenereactor space, so that there is no or only a minimal gas phase between the reaction mixture and the membrane. Furthermore, the reactor space can be designed so that any gas phase can be removed via a valve.
In einer weiteren Ausgestaltung wird im Hydrogenese-Schritt eine schwarze Membran verwendet. Die schwarze Membran absorbiert einen Großteil des eingestrahlten Lichts, so dass eine Erwärmung der Membran und des umliegenden Reaktionsgemischs erreicht wird. Durch die Wärmeentwicklung wird die Diffusion sowohl des Sauerstoffs als auch des Wasserstoffs begünstigt. Zusätzlich kann die Wärmeenergie abgeführt und anderweitig genutzt werden, beispielsweise durch einen Wärmeübertrager. Des Weiteren ist es möglich, die schwarze Membran direkt an ein Wärmeübertragemittel anzuschließen, so dass die eingestrahlte Wärmeenergie direkt abführbar ist. Die im ersten Schritt gewonnenen gasförmigen Mischungspartner Sauerstoff und Wasserstoff werden in bevorzugter Weise durch eine Gasverflüssigung, insbesondere nach dem Linde-Verfahren, voneinander getrennt. Das Linde-Verfahren ist für sich gesehen bekannt. Dabei wird ein Gas bzw. eine Gasmischung so lange abgekühlt, bis die einzelnen Mischungspartner ihren Siedepunkt erreichen und als Flüssigkeit anfallen. In diesem Fall liegt der Siedepunkt von Sauerstoff ca. 70 Kelvin oberhalb des Siedepunkts von Wasserstoff, so dass der Sauerstoff zuerst flüssig wird. Die Verwendung eines Gasverflüssigungsverfahrens ist besonders vorteilhaft, wenn sehr reine Komponenten gewonnen werden sollen.
Aus reinem Sauerstoff und reinem Wasserstoff kann so als Nebenprodukt des Verfahrens reinstes Süßwasser erhalten werden, insbesondere unter Nutzung von Abwärme aus dem Hydrogenese-Schritt. Es wird insgesamt eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei der auch die zur Erzeugung von Methan verwendeten Methanogenese-Bakterien in einer wässrigen Lösung bereitgestellt werden. Dieser Lösung können zudem periodisch oder fortlaufend geeignete Nährstoffe zugeführt werden. Damit wird für die verwendeten Methanogenese- Bakterien eine optimale Umgebung bereitgestellt. Des Weiteren ist eine ununterbrochene Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht. In a further embodiment, a black membrane is used in the hydrogenation step. The black membrane absorbs much of the incident light so that heating of the membrane and the surrounding reaction mixture is achieved. The evolution of heat promotes the diffusion of both oxygen and hydrogen. In addition, the heat energy can be dissipated and used elsewhere, for example by a heat exchanger. Furthermore, it is possible to connect the black membrane directly to a heat transfer medium, so that the radiated heat energy is directly dissipated. The gaseous mixing partners oxygen and hydrogen obtained in the first step are preferably separated from one another by a gas liquefaction, in particular by the Linde method. The Linde process is known per se. In this case, a gas or a gas mixture is cooled until the individual mixture partners reach their boiling point and accumulate as a liquid. In this case, the boiling point of oxygen is about 70 Kelvin above the boiling point of hydrogen, so that the oxygen first becomes liquid. The use of a gas liquefaction process is particularly advantageous when very pure components are to be recovered. Pure pure water can thus be obtained from pure oxygen and pure hydrogen as a byproduct of the process, in particular using waste heat from the hydrogenation step. Overall, an embodiment of the invention is preferred in which the methanogenesis bacteria used to produce methane are also provided in an aqueous solution. This solution can also be supplied periodically or continuously appropriate nutrients. This provides an optimal environment for the methanogenesis bacteria used. Furthermore, an uninterrupted implementation of the method according to the invention is made possible.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die zur Erzeugung von Methan verwendeten Methanogenese-Bakterien eine oder eine Mischung der Arten Methanobacterium thermoautotropicum, Methanobacillus spp., Methanobacterium spp., Methanococcus spp., Methanosarcina spp. und Methanothrix spp. auf. Es ist festgestellt worden, dass die genannten Bakterienarten besonders gut mit den anderen Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens harmonieren. In a further embodiment, the methanogenesis bacteria used to produce methane have one or a mixture of the species Methanobacterium thermoautotropicum, Methanobacillus spp., Methanobacterium spp., Methanococcus spp., Methanosarcina spp. and Methanothrix spp. on. It has been found that the mentioned bacterial species harmonize particularly well with the other steps of the method according to the invention.
Im zweiten Schritt des Verfahrens kann der Wasserstoff und das Kohlendioxid den Methanogenese-Bakterien unter anaeroben Bedingungen und/oder bei einer Temperatur von ungefähr 60°C zugeführt werden. Die genannten Bedingungen haben sich als optimal erwiesen, um eine möglichst hohe Methanausbeute in Verbindung mit einer langen Lebensdauer und einer besonders gleichmäßigen Aktivität der verwendeten Bakterien bereitzustellen. In the second step of the process, the hydrogen and carbon dioxide may be supplied to the methanogenesis bacteria under anaerobic conditions and / or at a temperature of about 60 ° C. The conditions mentioned have proven to be optimal in order to provide the highest possible methane yield in conjunction with a long life and a particularly uniform activity of the bacteria used.
Es ist zudem erkannt worden, dass Sauerstoff bzw. vorliegende Sauerstoffradikale nicht nur die Wasserstoffproduktion der Peptide mit Hydrogenase-Aktivität hemmen, sondern ebenfalls die Produktivität der Methanogenese-Bakterien herabsetzen. Daher besteht eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, den Gehalt an intrazellulärem Sauerstoff innerhalb der Methanogenese-Bakterien ebenfalls herabzusetzen. Dazu werden ausdrücklich alle Maßnahmen vorgeschlagen, die als bevorzugte Ausführungsformen zu Reduktion des Sauerstoffs innerhalb der Hydrogenese angesprochen worden sind. Mit anderen Worten eignen sich sämtliche dieser Maßnahmen auch in vorteilhafter Weise zur Anwendung auf die Methanogenese-Bakterien,
finden hier jedoch zur Vermeidung von Wiederholungen keine erneute detaillierte Erwähnung. It has also been recognized that oxygen or oxygen radicals present not only inhibit the hydrogen production of the peptides with hydrogenase activity, but also reduce the productivity of the methanogenesis bacteria. Therefore, a particularly preferred development of the method according to the invention is also to reduce the content of intracellular oxygen within the methanogenesis bacteria. To this end, all measures are proposed that have been addressed as preferred embodiments for reducing the oxygen within the hydrogenation. In other words, all of these measures are also advantageously suitable for application to the methanogenesis bacteria, however, to avoid repetition, no further detailed mention is given here.
Es wird eine Ausführungsform bevorzugt, bei der die Abtrennung des Methans von dem Bakterienmedium über eine Membran, insbesondere über eine poröse Membran aus CLPE (cross-linked Polyethylene), erfolgt. An embodiment is preferred in which the separation of the methane from the bacterial medium takes place via a membrane, in particular via a porous membrane made of CLPE (cross-linked polyethylene).
Auch die Membran des zweiten Schrittes kann in eine hexagonal dichteste Kugelpackung festgelegt werden. Also, the membrane of the second step can be set in a hexagonal closest packing.
Dabei wird die Verwendung einer Membran bevorzugt, die eine innere Schicht aus PATBS aufweist. The use of a membrane having an inner layer of PATBS is preferred.
Auch hier kann in vorteilhafter Weise eine mehrlagige Membran verwendet werden, deren Lagen zumindest bereichsweise miteinander verschweißt sind, insbesondere in einem Kreis- oder Wabenmuster. Again, a multilayer membrane can be used in an advantageous manner, the layers of which are at least partially welded together, in particular in a circular or honeycomb pattern.
Bezüglich der letztgenannten Ausführungsformen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen in Bezug auf vorteilhafte Merkmale der im ersten Schritt verwendeten Membran verwiesen. With regard to the last-mentioned embodiments, reference is made to the statements relating to advantageous features of the membrane used in the first step in order to avoid repetition.
In Bezug auf den zweiten Reaktionsschritt wird eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, bei der der osmotische Druck des Kohlendioxids auf der Gas-Seite der Membran erhöht wird. Dadurch lässt sich eine gleichbleibend hohe Konzentration von Kohlendioxid im Bakterienmedium sicherstellen. Dies ist vorteilhaft, da das Kohlendioxid von den Bakterien letztlich zu Methan umgesetzt wird. With regard to the second reaction step, a development of the method according to the invention is proposed in which the osmotic pressure of the carbon dioxide on the gas side of the membrane is increased. This ensures a consistently high concentration of carbon dioxide in the bacterial medium. This is advantageous because the carbon dioxide is ultimately converted by the bacteria to methane.
Es wird weiterhin eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, bei der die Abtrennung des im zweiten Schritt erzeugten Methans von dem Wasserstoff durch eine Gasverflüssigung, insbesondere nach dem Linde-Verfahren, erfolgt. In Bezug auf die Vorteile dieser Ausführungsform kann auf die Erläuterungen bezüglich der Auftrennung von Sauerstoff und Wasserstoff verwiesen werden.
In Bezug auf den Methanogenese-Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird vorgeschlagen, dass das den Methanogenese-Bakterien zugeführte Kohlendioxid aus Trockeneis gewonnen wird, wobei das Trockeneis ggf. aus einer Luftverflüssigung, insbesondere nach dem Linde-Verfahren, gewonnen wird. So lässt sich Kohlendioxid bzw. Trockeneis bereitstellen, das praktisch keine Verunreinigungen beinhaltet. Des Weiteren wird der Umgebungsluft Kohlendioxid entnommen, was eine vorteilhafte Auswirkung auf den Treibhauseffekt hat. It is further proposed an embodiment of the method according to the invention, in which the separation of the methane produced in the second step of the hydrogen by a gas liquefaction, in particular according to the Linde method, takes place. With regard to the advantages of this embodiment, reference may be made to the explanations regarding the separation of oxygen and hydrogen. With regard to the methanogenesis step of the process according to the invention, it is proposed that the carbon dioxide supplied to the methanogenesis bacteria is obtained from dry ice, the dry ice optionally being obtained from an air liquefaction, in particular by the Linde process. This can provide carbon dioxide or dry ice, which contains virtually no impurities. Furthermore, carbon dioxide is taken from the ambient air, which has a beneficial effect on the greenhouse effect.
Alternativ oder zusätzlich kann das den Methanogenese-Bakterien zugeführte Kohlendioxid aus kohlendioxidreichen Gasströmen, insbesondere aus Industrie- und Verbrennungsprozessen, bereitgestellt werden. Diese Weiterbildung des Verfahrens ist insbesondere im Hinblick auf die Verbesserung der Kohlendioxidbilanz von Müllverbrennungs- und Kraftwerksanlagen vorteilhaft. So kann aus eigentlich umweltschädlichen Abgasströmen mit Hilfe des vorliegenden Verfahrens Methan bereitgestellt werden, das als Ausgangsstoff für die chemische Industrie oder zur kohlendioxidneutralen Verbrennung genutzt werden kann. Alternatively or additionally, the carbon dioxide supplied to the methanogenesis bacteria can be provided from carbon dioxide-rich gas streams, in particular from industrial and combustion processes. This development of the method is particularly advantageous in terms of improving the carbon dioxide balance of waste incineration and power plants. Thus, methane, which can be used as starting material for the chemical industry or for carbon dioxide-neutral combustion, can be provided from actually environmentally harmful exhaust gas streams with the aid of the present method.
Im Hinblick auf eine Verbesserung der Energiebilanz und eine Verminderung des Ausstoßes von treibhausaktivem Kohlendioxid wird eine Weiterbildung des Verfahrens vorgeschlagen, bei dem nicht verbrauchtes bzw. nicht umgesetztes Kohlendioxid - insbesondere mittels einer Kühlfalle - zurückgewonnen und in den Prozess rückgeführt wird. With a view to improving the energy balance and reducing the emission of greenhouse-active carbon dioxide, a development of the method is proposed in which unused or unreacted carbon dioxide - in particular by means of a cold trap - recovered and returned to the process.
Schließlich ist im Hinblick auf eine zusätzlich verbesserte Methanausbeute des Verfahrens eine Ausgestaltung bevorzugt, bei der entstehendes überschüssiges Bakte- rienmaterial periodisch oder fortlaufend dem Prozess entnommen und einem Bio- gasprozess zur zusätzlichen Methangewinnung zugeführt wird. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entsteht fortlaufend Biomasse, die aufgrund der festgelegten Anlagengröße von Zeit zu Zeit oder fortlaufend entfernt werden muss. Bei dieser Weiterbildung des Verfahrens kann diese Biomasse, die ansonsten - ggf. mit weiteren Folgekosten - entsorgt werden müsste, einer weiteren sinnvollen Verwendung zugeführt werden. Finally, in view of an additionally improved methane yield of the process, an embodiment is preferred in which resulting excess bacterial material is taken periodically or continuously from the process and fed to a biogas process for additional methane production. In carrying out the method according to the invention continuously produces biomass, which must be removed from time to time or continuously due to the specified plant size. In this development of the method, this biomass, which would otherwise - possibly with further follow-up costs - should be disposed of, a further useful use will be supplied.
Im Sinne einer optimierten Energiebilanz des erfindungsgemäßen Verfahrens kann Wärme aus dem Hydrogenese-Schritt abgeführt werden, insbesondere durch einen
Wärmeübertrager oder einer Wärmepumpe. Zum Erhalt einer besonders großen Wärmemenge kann - wie bereits erwähnt - eine schwarze Membran im Hydrogenese- Schritt verwendet werden. Die überschüssige Wärme lässt sich sinnvoll weiterverwenden oder innerhalb des Verfahrens übertragen. In the sense of an optimized energy balance of the process according to the invention, heat can be removed from the hydrogenation step, in particular by a Heat exchanger or a heat pump. To obtain a particularly large amount of heat - as already mentioned - a black membrane in the hydrogenase step can be used. The excess heat can be meaningfully reused or transferred within the process.
Dabei kann Wärme zwischen dem Hydrogenese-Schritt und dem Methanogenese-Schritt übertragen werden. Mit anderen Worten lässt sich Abwärme aus dem Hydrogenese- Schritt in vorteilhafter Weise für die Methanogenese verwenden. Da die Methanogenese jedoch im Allgemeinen auf einem deutlich höheren Temperaturniveau stattfindet als die Hydrogenese, bietet sich hierbei die Verwendung einer Wärmepumpe an. Heat may be transferred between the hydrogenase step and the methanogenesis step. In other words, waste heat from the hydrogenase step can be used advantageously for methanogenesis. However, since methanogenesis generally takes place at a significantly higher temperature than hydrogenation, the use of a heat pump is suitable.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung des Teilschrittes der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt wird, There are now various possibilities for designing and developing the teaching of the present invention in an advantageous manner. For this purpose, on the one hand to the subordinate claims, on the other hand, to refer to the following explanation of a preferred embodiment of the method according to the invention with reference to the drawing. In conjunction with the explanation of the preferred embodiment with reference to the drawing, generally preferred embodiments and developments of the teaching are explained. 1 shows a schematic representation of the partial step of the embodiment of the method according to the invention, in which hydrogen and oxygen are produced,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Teilschrittes der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Methan gewonnen wird, 2 is a schematic representation of the partial step of the embodiment of the method according to the invention, in which methane is recovered,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des gesamten Verfahrens gemäß gezeigter Fig. 3 is a schematic representation of the entire method according to shown
Ausführungsform und Embodiment and
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Membrananordnung zur Fig. 4 is a schematic representation of a preferred membrane arrangement for
Abtrennung gasförmiger (Zwischen-) Produkte von dem Reaktionsgemisch bzw. dem Bakterienmedium, und
Fig. 5 eine schematische Darstellung zweier Ausführungsformen von mehrlagigenSeparation of gaseous (intermediate) products from the reaction mixture or the bacterial medium, and Fig. 5 is a schematic representation of two embodiments of multilayer
Membranen, die bevorzugt zur Gasabtrennung im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils der vorgeschlagenen Ausführungsform des Gesamtverfahrens. Dieser erste Teil bezieht sich auf die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Peptide mit Hydrogenase-Aktivität und die Abtrennung des erzeugten Sauerstoffs vom Wasserstoff. Zu Beginn des Verfahrens wird ein wässriges Reaktionsgemisch 1 mit den Peptiden mit Hydrogenase-Aktivität in einem Hydrogenese-Bioreaktor 2 bereitgestellt. Das wässrige Reaktionsgemisch 1 enthält zudem eine Pufferlösung, zum Beispiel eine 20mM Phosphat- Pufferlösung pH 7,0, sowie NADH, ZnTPPS und Methylviologen und ist vom Gasraum des Bioreaktors 2 durch eine Membran 3 aus CLPE getrennt. Das bereitgestellte Reaktionsgemisch wird stetig mit einer Pumpe 4 durchmischt, und, vorteilhafterweise, im Kreislauf geführt. Membranes which are preferably used for gas separation in the process according to the invention. Fig. 1 shows a schematic representation of a part of the proposed embodiment of the overall method. This first part relates to the generation of hydrogen and oxygen by peptides with hydrogenase activity and the separation of the generated oxygen from the hydrogen. At the beginning of the process, an aqueous reaction mixture 1 containing the peptides with hydrogenase activity in a hydrogenase bioreactor 2 is provided. The aqueous reaction mixture 1 also contains a buffer solution, for example a 20 mM phosphate buffer solution pH 7.0, and NADH, ZnTPPS and methyl viologen and is separated from the gas space of the bioreactor 2 by a membrane 3 made of CLPE. The provided reaction mixture is mixed continuously with a pump 4, and, advantageously, recirculated.
Das Reaktionsgemisch 1 wird von der Umgebung durch eine im Wesentlichen transparente Scheibe 5 getrennt. Aufgrund der Einstrahlung von Licht (hu), insbesondere dem Sonnenlicht produzieren die verwendeten Peptide Wasserstoff und Sauerstoff. Diese Zwischenprodukte können durch die Membran 3 in den Gasraum des Bioreaktors 2 übertreten und abgezogen werden. The reaction mixture 1 is separated from the environment by a substantially transparent disc 5. Due to the irradiation of light (hu), especially sunlight, the peptides used produce hydrogen and oxygen. These intermediates can be passed through the membrane 3 into the gas space of the bioreactor 2 and withdrawn.
Alternativ, und auch bei für das Verfahren ungünstigen Lichtverhältnissen, können dem Hydrogenese-Reaktor mittels einer über die Elektroden 6 angelegten Spannung direkt und gegebenenfalls zusätzlich Elektronen zugeführt werden, die letztlich zur Aktivierung der Peptide führen. Alternatively, and also at unfavorable light conditions for the process, electrons can be fed directly and optionally additionally to the hydrogenase reactor by means of a voltage applied across the electrodes 6, which ultimately leads to the activation of the peptides.
Zur Erhöhung des osmotischen Drucks von Sauerstoff auf der Reaktionsgemisch-Seite des Reaktors 2, wird auf der auf der Gas-Seite des Reaktors der entstehende Sauerstoff direkt mit den Wasserstoff abgezogen. Zudem wird der Gasphase stetig ein weiteres Inertgas zugegeben, in diesem Fall Stickstoff, was den Übertritt des entstehenden Sauerstoffs von der Reaktionsgemisch-Seite zur Gas-Seite der Membran 3, also in den Gasraum des Bioreaktors 2, unterstützt.
In weiter vorteilhafter Weise können im Reaktionsgemisch zeitgleich Sauerstoff und Sauerstoffradikale gebunden werden. Dazu kann dem Bioreaktor 2 ein Bindemittel zugegeben werden. Geeignete Bindemittel sind beispielsweise Hämoglobine, Myoglobine, Porphyrin, Hydrazin oder Terpene. Die verwendeten Bindemittel können auf verschiedene Weise regeneriert werden, wozu auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen wird. Sofern das oder die Bindemittel elektrochemisch regeneriert werden, sind innerhalb des Bioreaktors 2 Elektroden angebracht, die hier nicht dargestellt sind. To increase the osmotic pressure of oxygen on the reaction mixture side of the reactor 2, the oxygen formed on the gas side of the reactor is drawn off directly with the hydrogen. In addition, the gas phase is steadily added a further inert gas, in this case nitrogen, which supports the transfer of the resulting oxygen from the reaction mixture side to the gas side of the membrane 3, ie in the gas space of the bioreactor 2. In a further advantageous manner, oxygen and oxygen radicals can be bound simultaneously in the reaction mixture. For this purpose, a binder can be added to the bioreactor 2. Suitable binders are, for example, hemoglobins, myoglobins, porphyrin, hydrazine or terpenes. The binders used can be regenerated in various ways, to which reference is made to the preceding statements. If the binder or binders are regenerated electrochemically, electrodes are mounted within the bioreactor 2, which are not shown here.
Die Auftrennung der Zwischenprodukte Sauerstoff und Wasserstoff erfolgt über eine Gasverflüssigung 7 und über eine Fraktionierung 8. The separation of the intermediates oxygen and hydrogen via a gas liquefaction 7 and a fractionation. 8
Dem Bioreaktor 2 kann fortlaufend überschüssige Wärme entnommen werden. Dazu wird bevorzugt ein Wärmeübertrager verwendet (nicht dargestellt). Des Weiteren kann im Hinblick auf eine verbesserte Energiebilanz Wärme aus dem Bioreaktor 2 mittels einer Wärmepumpe (nicht dargestellt) abgezweigt und dem Bioreaktor 10 für die Methanogenese (siehe Fig. 2) auf einem höheren Temperaturniveau zugeführt werden. The bioreactor 2 can be removed continuously excess heat. For this purpose, a heat exchanger is preferably used (not shown). Furthermore, heat may be diverted from bioreactor 2 by means of a heat pump (not shown) for improved energy balance and supplied to bioreactor 10 for methanogenesis (see FIG. 2) at a higher temperature level.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des zweiten Schrittes der gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, der sich auf die Erzeugung von Methan aus dem im ersten Schritt erzeugten Wasserstoff und die Abtrennung des gewonnenen Methans bezieht. 2 shows a schematic representation of the second step of the illustrated embodiment of the method according to the invention, which relates to the production of methane from the hydrogen produced in the first step and the separation of the recovered methane.
Der im ersten Schritt gewonnene Wasserstoff wird einem weiteren Bioreaktor 10 zugeführt. In diesem Bioreaktor 10 liegt eine wässrige Lösung von Methanogenese- Bakterien 9 vor, die von dem Gasraum des Bioreaktors 10 durch eine Membran 1 1 abgetrennt ist. Die Membran 1 1 besteht wie für den ersten Schritt gemäß Fig. 1 aus CLPE. Den in wässriger Lösung vorliegenden Methanogenese-Bakterien wird sowohl Wasserstoff als auch Kohlendioxid zugeführt. Dazu wird - bspw. aus einem Gasverflüssigungsverfahren stammendes - Kohlendioxid in der Trockeneiserzeugung 12 in Trockeneis umgewandelt. The hydrogen obtained in the first step is fed to a further bioreactor 10. In this bioreactor 10 is an aqueous solution of methanogenesis bacteria 9, which is separated from the gas space of the bioreactor 10 through a membrane 1 1. The membrane 1 1 is as for the first step shown in FIG. 1 from CLPE. The present in aqueous solution methanogenesis bacteria is fed both hydrogen and carbon dioxide. For this purpose, for example, carbon dioxide originating from a gas liquefaction process in dry ice production 12 is converted into dry ice.
Die Edukte Kohlendioxid und Wasserstoff werden der Bakterienlösung unter anaeroben Bedingungen bei einer Temperatur von ungefähr 60°C zugeführt. Des Zudem werden der Bakterienlösung fortlaufend geeignete Nährstoffe zugegeben. Sowohl die Bakterienlösung
als auch die Gase im Gasraum des Bioreaktors 10 werden fortlaufend durch Pumpen 13 umgewälzt. The educts carbon dioxide and hydrogen are fed to the bacterial solution under anaerobic conditions at a temperature of about 60 ° C. In addition, the bacteria solution is continuously added appropriate nutrients. Both the bacterial solution as well as the gases in the gas space of the bioreactor 10 are continuously circulated by pumps 13.
In erfindungsgemäßer Weise produzieren die Methanogenese-Bakterien aus dem zugeführten Wasserstoff und Kohlendioxid durch die Einstellung geeigneter Umgebungsbedingungen und durch die Zuführung von Nährstoffen 14 Methan (ChU). Das entstandene Methan kann durch die Membran 1 1 aus CLPE in den Gasraum des Bioreaktors 10 diffundieren. Zur Verhinderung einer übermäßigen Diffusion von Wasserstoff und Kohlendioxid in den Gasraum wird der osmotische Druck der beiden Edukte auf der Gas-Seite der Membran 1 1 erhöht. In accordance with the invention, the methanogenesis bacteria produce from the supplied hydrogen and carbon dioxide by setting suitable environmental conditions and by supplying nutrients 14 methane (ChU). The resulting methane can diffuse through the membrane 1 1 from CLPE into the gas space of the bioreactor 10. To prevent excessive diffusion of hydrogen and carbon dioxide into the gas space, the osmotic pressure of the two educts on the gas side of the membrane 11 is increased.
Obwohl die Methanogenese prinzipiell unter anaeroben Bedingungen durchgeführt wird, kann es in den Methanogenese-Bakterien intrazellulär zum Auftreten oder sogar zu einer Anreicherung von Sauerstoff und/oder von Sauerstoffradikalen kommen. Dieser intrazelluläre Sauerstoff behindert jedoch die Methanerzeugung. Deswegen wird als vorteilhafte Ausführungsform vorgeschlagen, den intrazellulären Sauerstoff der Methanogenese-Bakterien zu binden. Dazu kann - wie bei den Peptiden mit Hydrogenese-Aktivität - ein geeignetes Bindemittel zugegeben werden. Solch ein Bindemittel kann beispielsweise biochemisch oder chemisch wirken, um den intrazellulären Sauerstoff zu binden. Geeignete Bindemittel umfassen Myoglobin, Porphyrin, Hydrazin oder Terpene. Although methanogenesis is carried out in principle under anaerobic conditions, the intracellular occurrence or even accumulation of oxygen and / or oxygen radicals in the methanogenesis bacteria can occur. However, this intracellular oxygen hinders methane production. Therefore, as an advantageous embodiment, it is proposed to bind the intracellular oxygen of the methanogenesis bacteria. For this purpose - as with the peptides with hydrogenase activity - a suitable binder can be added. For example, such a binder may act biochemically or chemically to bind the intracellular oxygen. Suitable binders include myoglobin, porphyrin, hydrazine or terpenes.
In bevorzugter Weise wird das Bindemittel nach der Aufnahme von intrazellulärem Sauerstoff regeneriert. Dabei kann wie bezüglich der Peptide mit Hydrogenase-Aktivität beschrieben vorgegangen werden. Preferably, the binder is regenerated after uptake of intracellular oxygen. It is possible to proceed as described with respect to the peptides with hydrogenase activity.
Das Gasgemisch aus Kohlendioxid, Wasserstoff und Methan 15 kann aus dem Gasraum des Bioreaktors 10 entnommen werden. Danach wird zunächst in einer Kühlfalle 16 das Kohlendioxid abgetrennt und in den Kreislauf rückgeführt. Die Auftrennung der verbleibenden Komponenten Wasserstoff und Methan erfolgt über eine Gasverflüssigung 17 und eine nachgeschaltete Fraktionierung 18. Der abgetrennte Wasserstoff wird ebenfalls in den Prozess rückgeführt. The gas mixture of carbon dioxide, hydrogen and methane 15 can be removed from the gas space of the bioreactor 10. Thereafter, the carbon dioxide is first separated in a cold trap 16 and returned to the circulation. The separation of the remaining components hydrogen and methane via a gas liquefaction 17 and a downstream fractionation 18. The separated hydrogen is also recycled to the process.
Übrig bleibt das Produkt Methan (CH4) in hoher Reinheit.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des gesamten Verfahrens. Dabei wird deutlich, wie der im ersten Schritt gewonnene Wasserstoff als Edukt für den zweiten Schritt übergeleitet und verwendet wird. Auch im zweiten Schritt entsteht durch das stetige Wachstum der verwendeten Methanogenese-Bakterien andauernd überschüssiges Biomaterial, welches zur weiteren Methangewinnung im Biogas-Verfahren ausgeschleust wird. The product methane (CH4) remains in high purity. Fig. 3 shows a schematic representation of the entire process. It becomes clear how the hydrogen obtained in the first step is transferred and used as starting material for the second step. In the second step, the continuous growth of the methanogenesis bacteria used constantly results in excess biomaterial, which is discharged for further methane production in the biogas process.
Zu den weiteren einzelnen Verfahrensschritten wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen zu Fig. 1 und Fig. 2 verwiesen. Reference is made to the remarks on FIG. 1 and FIG. 2 for the further individual method steps in order to avoid repetition.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren laufen folgende Brutto-Reaktionen ab: In the method according to the invention, the following gross reactions take place:
1. Schritt (Fig. 1): 2 H20 -> 2 H2 + 02 Hier kann durch das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Einsatz von 1 mg Peptiden mit Hydrogenase-Aktivität mehr als 0,5 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 1 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 1 ,5 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 2 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 2,5 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 3 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 3,5 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 4 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 4,5 Liter Wasserstoff, insbesondere bis zu ca. 4,67 Liter Wasserstoff pro Liter Reaktionsgemisch und Stunde erzeugt werden, was einer deutlich erhöhten Wasserstoff Produktion gegenüber der Wasserstoffproduktion mittels Algenreaktoren entspricht. Im Gegensatz dazu sind für Algenreaktoren sehr viel niedrigere Wasserstoffproduktionsraten üblich. Insbesondere sind für Algenreaktoren beispielsweise von Wasserstoffproduktionsraten 8ml Wasserstoff pro Liter und Stunde bekannt. 1st step (FIG. 1): 2 H 2 O -> 2 H 2 + O 2 Here, by the process according to the invention, more than 0.5 liters of hydrogen, in particular more than 1, can be used when using 1 mg of peptides with hydrogenase activity Liter of hydrogen, in particular more than 1.5 liters of hydrogen, in particular more than 2 liters of hydrogen, in particular more than 2.5 liters of hydrogen, in particular more than 3 liters of hydrogen, in particular more than 3.5 liters of hydrogen, in particular more than 4 liters of hydrogen , In particular, more than 4.5 liters of hydrogen, in particular up to about 4.67 liters of hydrogen per liter of reaction mixture and hour are generated, which corresponds to a significantly increased hydrogen production compared to the hydrogen production by means of algae reactors. In contrast, much lower hydrogen production rates are common for algae reactors. In particular, for algae reactors, for example of hydrogen production rates, 8 ml of hydrogen are known per liter per hour.
Weiterhin können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens pro 1 mg Peptid mit Hydrogenase-Aktivität mehr als 500 μηηοΙ Wasserstoff, insbesondere mehr als 1000 μηηοΙ Wasserstoff, insbesondere mehr als 1500 μηηοΙ Wasserstoff, insbesondere mehr als 2000 μηηοΙ Wasserstoff, insbesondere mehr als 2500 μηηοΙ Wasserstoff, insbesondere mehr als 3000 μηηοΙ Wasserstoff, insbesondere bis zu 3500 μηηοΙ Wasserstoff pro Minute gewonnen werden.
2. Schritt (Fig. 2): C02 + 4 H2 -> CH4 + 2 H20 Furthermore, by means of the process according to the invention per 1 mg of peptide with hydrogenase activity more than 500 μηηοΙ hydrogen, especially more than 1000 μηηοΙ hydrogen, especially more than 1500 μηηοΙ hydrogen, especially more than 2000 μηηοΙ hydrogen, especially more than 2500 μηηοΙ hydrogen, in particular more be obtained as 3000 μηηοΙ hydrogen, in particular up to 3500 μηηοΙ hydrogen per minute. 2nd step (Figure 2): C0 2 + 4 H 2 -> CH 4 + 2 H 2 0
Gesamt (Fig. 3): C02 + 2 H20 - 2 02 + CH4 Bei dem hier exemplarisch aufgezeigten Ansatz des erfindungsgemäßen Verfahrens können 0,124 Liter, insbesondere mehr als 0,248 Liter, insbesondere mehr als 0,372 Liter, insbesondere mehr als 0,496 Liter, insbesondere mehr als 0,62 Liter, insbesondere mehr als 0,744 Liter, insbesondere mehr als 0,868 Liter, insbesondere mehr als 0,992 Liter, insbesondere mehr als 1 ,1 16 Liter, insbesondere bis zu ca. 1 ,16 Liter reines, Kohlendioxid-neutrales Methan erzeugt werden. Total (FIG. 3): C0 2 + 2 H 2 O - 2 0 2 + CH 4 In the process of the invention exemplified here, 0.124 liters, in particular more than 0.248 liters, in particular more than 0.372 liters, in particular more than 0.496 Liters, in particular more than 0.62 liters, in particular more than 0.744 liters, in particular more than 0.868 liters, in particular more than 0.992 liters, in particular more than 1.16 liters, in particular up to approximately 1.16 liters of pure, carbon dioxide produced neutral methane.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Festlegung der erfindungsgemäß verwendeten Membrane 3, 1 1. Dabei wird in dem Verfahren sowohl bei der Wasserstoffgewinnung durch Algen als auch bei der Methangewinnung durch Methanogenese-Bakterien vorzugsweise eine Membran 3, 1 1 aus CLPE verwendet, um den Übertritt von gasförmigen Produkten aus einem wässrigen Medium zu ermöglichen. 4 shows a schematic representation of a preferred definition of the membrane 3, 1 used according to the invention. In this process, a membrane 3, 1 1 from CLPE is preferably used in the process both in the production of hydrogen by algae and in the methane recovery by methanogenesis bacteria, to allow the passage of gaseous products from an aqueous medium.
Diese Fig. zeigt in einer Seitenansicht und in einer Draufsicht, wie die Membran 3, 1 1 aus CLPE in einer hexagonal dichtesten Kugelpackung verankert wird, um eine möglichst sichere Festlegung der Membran 3, 1 1 zu erreichen. This FIGURE shows in a side view and in a plan view, as the membrane 3, 1 1 is anchored from CLPE in a hexagonal closest ball packing in order to achieve the safest possible definition of the membrane 3, 1 1.
Diese Art der Festlegung der Membran ist dabei im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, zur Ausführung des Verfahrens jedoch nicht zwingend notwendig. Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung zweier Ausführungsformen mehrlagiger Membranen, welche bevorzugt im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Die Membranen 3, 1 1 bestehen aus zumindest zwei Lagen, können beispielsweise eine innere Schicht aus PATBS aufweisen. Zur Erhöhung der Druckfestigkeit sind die Lagen der Membranen 3, 1 1 zumindest bereichsweise miteinander verscheißt. In Fig. 5 links ist ein Kreismuster dargestellt. Die Kreise können sich berühren oder auch geringfügig voneinander beabstandet sein. In Fig. 5 rechts sind die verschiedenen Lagen der Membran 3, 1 1 in einem Wabenmuster miteinander verschweißt, wodurch eine erhöhte Druckstabilität erreicht ist.
Bei Verwendung der bevorzugten Membranen sowohl im Bioreaktor 2 als auch im Bioreaktor 10 kann der Druck auf der Gas-Seite der Membran erhöht oder verringert werden, ohne dass diese versagt. Demzufolge ist insbesondere der osmotische Druck von Sauerstoff auf der Gas-Seite von Reaktor 2 weiter verringerbar und der Druck von Kohlendioxid auf der Gas-Seite von Reaktor 10 weiter steigerbar. This type of fixing of the membrane is preferred in the process according to the invention, but not absolutely necessary for carrying out the process. Fig. 5 shows a schematic representation of two embodiments of multilayer membranes, which are preferably used in the method according to the invention. The membranes 3, 1 1 consist of at least two layers, for example, may have an inner layer of PATBS. To increase the compressive strength, the layers of the membranes 3, 1 1 at least partially verschscheißt each other. In Fig. 5 left a circle pattern is shown. The circles may touch or be slightly spaced apart. In Fig. 5 right, the various layers of the membrane 3, 1 1 are welded together in a honeycomb pattern, whereby an increased pressure stability is achieved. By using the preferred membranes in both bioreactor 2 and bioreactor 10, the pressure on the gas side of the membrane can be increased or decreased without failure. Accordingly, in particular, the osmotic pressure of oxygen on the gas side of reactor 2 can be further reduced, and the pressure of carbon dioxide on the gas side of reactor 10 can be further increased.
Die Membran 3 im Bioreaktor 2 kann aus schwarzem Material gefertigt sein. Dadurch fällt im Bioreaktor 2 ein größerer Überschuss an Wärme an, die auf die bereits beschriebene Art und Weise vorteilhaft nutzbar ist. The membrane 3 in the bioreactor 2 can be made of black material. This results in the bioreactor 2, a larger excess of heat, which is advantageously used in the manner already described.
Abschließend sei hervorgehoben, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens die beanspruchte Lehre erörtert, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.
Finally, it should be emphasized that the above-described embodiment of the method according to the invention discusses the claimed teaching, but does not restrict it to the exemplary embodiment.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Hydrogenese-Reaktionsgemisch1 Hydrogenesis reaction mixture
2 Hydrogenese-Bioreaktor 2 Hydrogenesis bioreactor
3, 11 Membran 3, 11 membrane
4, 13 Pumpe 4, 13 pump
5 Scheibe 5 disc
6 Elektroden 6 electrodes
7, 17 Gas-/Luftverflüssigung 7, 17 Gas / air liquefaction
8, 18 Fraktionierung 8, 18 fractionation
9 Methanogenese-Reaktionsgemisch 9 Methanogenesis reaction mixture
10 Methanogenese-Bioreaktor10 Methanogenesis bioreactor
12 Trockeneiserzeugung 12 dry ice production
14 Nährstoffe 14 nutrients
15 Methanogenese-Gasgemisch 15 methanogenesis gas mixture
16 Kühlfalle
16 cold trap
Claims
1. Verfahren zur biologischen Erzeugung von Methan (CH4), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: A method of biologically producing methane (CH 4 ), the method comprising the steps of:
Erzeugung von Wasserstoff (Hb) und Sauerstoff (O2) aus Wasser (H2O) durch isolierte, synthetische, und/oder rekombinante Peptide mitGeneration of hydrogen (Hb) and oxygen (O2) from water (H2O) by isolated, synthetic, and / or recombinant peptides
Hydrogenase-Aktivitat in einem wässrigen Reaktionsgemisch (Hydro- genese), Hydrogenase activity in an aqueous reaction mixture (hydro genesis),
Abtrennung des erzeugten Sauerstoffs vom erzeugten Wasserstoff, Separating the generated oxygen from the generated hydrogen,
Erzeugung von Methan aus dem erzeugten Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2) durch Methanogenese-Bakterien (Methanogenese), Generation of methane from the generated hydrogen and carbon dioxide (CO2) by methanogenesis bacteria (methanogenesis),
Abtrennung und ggf. Verflüssigung des erzeugten Methans (CH4). Separation and possibly liquefaction of the methane produced (CH 4 ).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die isolierten Peptide mit Hydrogenase-Aktivitat aus der Gruppe bestehend aus: Hydrogenasen; Hydrogenase- ähnlichen Peptiden; Hydrogenasevarianten; und Fragmenten oder Kombinationen hiervon, ausgewählt sind. 2. The method according to claim 1, characterized in that the isolated peptides with hydrogenase activity from the group consisting of: hydrogenases; Hydrogenase-like peptides; Hydrogenasevarianten; and fragments or combinations thereof are selected.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die synthetischen oder rekombinanten Peptide mit Hydrogenase-Aktivitat aus der Gruppe bestehend aus:3. The method according to claim 1, characterized in that the synthetic or recombinant peptides with hydrogenase activity from the group consisting of:
Hydrogenasen; Hydrogenase-ähnlichen Peptiden; Hydrogenasevarianten; Hydrogenase- Mimics; und Fragmenten oder Kombinationen hiervon, ausgewählt sind. hydrogenases; Hydrogenase-like peptides; Hydrogenasevarianten; Hydrogenase Mimics; and fragments or combinations thereof are selected.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Peptide mit Hydrogenase-Aktivität [Fe], [Fe Fe], [Fe Ni] oder [Ni Fe Se] Komplexe in ihrem aktiven Zentrum aufweisen. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the peptides having hydrogenase activity [Fe], [Fe Fe], [Fe Ni] or [Ni Fe Se] complexes in their active center.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrogenase-Aktivität der Peptide Sauerstoff-resistent ist.
5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the hydrogenase activity of the peptides is oxygen-resistant.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Peptide mit Hydrogenase-Aktivität 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the peptides with hydrogenase activity
(c) aus Grünalgen und/oder Cyanobakterien isoliert sind, oder (c) are isolated from green algae and / or cyanobacteria, or
(d) rekombinant oder synthetisch hergestellt sind und eine Aminosäuresequenz beinhalten, die der Aminosäuresequenz von Peptiden mit Hydrogenase-Aktivität aus Grünalgen und/oder Cyanobakterien identisch oder ähnlich ist. (d) are produced recombinantly or synthetically and include an amino acid sequence identical or similar to the amino acid sequence of peptides having hydrogenase activity from green algae and / or cyanobacteria.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Grünalgen und Cyanobakterien aus der Gruppe bestehend aus: Chlamydomonas reinhardtii; Ralstonia eutropha; Paracoccus spp., Pyrococcus spp., Alcaligenes spp., Bradyrhizobium spp., Oligotropha spp., Acidovorax spp., Hydogenaphaga spp., Carboxydothermus spp., Desulfovibrio spp., Megasphaera elsdenii; Scenedesmus obliquus; Desulfomicrobium baculatum; Ralstonia metallidurans; Clostridium acetobutylicum; Clostridium pasteurianum; Aquifex aeoiicus; Synechococcus BG04351; Synechococcus eiongatus PCC 7942; Spiruiina spp; Chroococcidiopsis spp.; Synechocystis PCC 6803; Anabaena PCC 7120; Thiocapsa roseopersicina; Allochromatium vinosum; Desulfovibrio fructosovorans; Desulfovibrio gigas; Nostoc punctiforme; Fischereil muscicola; Anabaena siamensis; Cyanothece spp; Gloeocapsa alpicola; Aphanothece halophytica; Arthrospira maxima; Thiocapsa roseopersicina; Alteromonas macieodii; Aquifex aeoiicus; Rubrivivax gelatinosus; und Shewanella oneidensis ausgewählt sind. 7. The method according to claim 6, characterized in that the green algae and cyanobacteria from the group consisting of: Chlamydomonas reinhardtii; Ralstonia eutropha; Paracoccus spp., Pyrococcus spp., Alcaligenes spp., Bradyrhizobium spp., Oligotropha spp., Acidovorax spp., Hydogenaphaga spp., Carboxydothermus spp., Desulfovibrio spp., Megasphaera elsdenii; Scenedesmus obliquus; Desulfomicrobium baculatum; Ralstonia metallidurans; Clostridium acetobutylicum; Clostridium pasteurianum; Aquifex aeoicus; Synechococcus BG04351; Synechococcus eiongatus PCC 7942; Spiruiina spp; Chroococcidiopsis spp .; Synechocystis PCC 6803; Anabaena PCC 7120; Thiocapsa roseopersicina; Allochromium vinosum; Desulfovibrio fructosovorans; Desulfovibrio gigas; Nostoc punctiforme; Fishing muscicola; Anabaena siamensis; Cyanothece spp; Gloeocapsa alpicola; Aphanothece halophytica; Arthrospira maxima; Thiocapsa roseopersicina; Alteromonas macieodii; Aquifex aeoicus; Rubrivivax gelatinosus; and Shewanella oneidensis are selected.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Erzeugung von Wasserstoff verwendeten Peptide mit Hydrogenase-Aktivität in einer wässrigen Lösung bereitgestellt werden. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the peptides used for the production of hydrogen are provided with hydrogenase activity in an aqueous solution.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Peptide mit Hydrogenase-Aktivität an ein Substrat gebunden bereitgestellt werden. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the peptides are provided with hydrogenase activity bound to a substrate.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Peptide mit Hydrogenase-Aktivität durch Adsorption, oder durch Vernetzung, oder durch ionische10. The method according to claim 9, characterized in that the peptides with hydrogenase activity by adsorption, or by crosslinking, or by ionic
Bindung, oder durch kovalente Bindung, an das Substrat gebunden sind.
Binding, or by covalent bonding, are bound to the substrate.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Peptide mit Hydrogenase-Aktivität durch ein bi-reaktives Linkerpeptid, ein bi-reaktives Alkan oder Alken, oder durch ein Alkin an das Substrat gebunden sind. 1 1. A method according to claim 10, characterized in that the peptides are bound with hydrogenase activity by a bi-reactive linker peptide, a bi-reactive alkane or alkene, or by an alkyne to the substrate.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit den gebundenen Peptiden aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt wird. 12. The method according to any one of claims 9 to 1 1, characterized in that the substrate is separated with the bound peptides from the reaction mixture.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus der Gruppe bestehend aus: Kieselgelpartikel; Aluminiumhydroxid (AI2(OH)3); Aluminiumoxidhydroxid (AIO(OH)); Aluminiumoxid (Al203); Materialien, welche zur Abtrennung mittels lonenaustausch- oder Affinitätschromatographie verwendbar sind, zum Beispiel Kieselgelpartikel, die zur Bindung eines Peptids mit Hydrogenase-Aktivität angepasst sind, insbesondere durch einen Überzug mit für die Peptide spezifischen Antikörpern, oder durch einen Überzug mit dem jeweiligen Affinitätspartner für His-, Myc-, HA-, FLAG-, Avi-, Protein A-, Protein G-, Calmodulin-, TAP-, Strep-, or GST-Tags; Titanoxid; und Siliciden, ausgewählt ist. 13. The method according to any one of claims 9 to 12, characterized in that the substrate from the group consisting of: silica gel particles; Aluminum hydroxide (Al 2 (OH) 3 ); Aluminum oxide hydroxide (AIO (OH)); Alumina (Al 2 O 3 ); Materials useful for separation by ion exchange or affinity chromatography, for example, silica gel particles adapted to bind a peptide having hydrogenase activity, in particular by coating with antibodies specific for the peptides, or by coating with the respective affinity partner for His , Myc, HA, FLAG, Avi, protein A, protein G, calmodulin, TAP, Strep, or GST tags; titanium oxide; and silicides.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Silicide aus Siliciden mit Kupfer (Cu), Titan (Ti), Platin (Pt), Palladium (Pd), Eisen (Fe), Nickel (Ni), Blei (Pb), Gallium (Ga), Indium (In), Kadmium (Cd), Ruthenium (Ru), Kobalt (Co), Silber (Ag), Gold (Au), Iridium (Ir), Osmium (Os), Quecksilber (Hg), Zink (Zn), Hafnium (Hf), Zirkonium (Zr), Vanadium (V), Niob (Nb), Molybdän (Mo), Tungsten (W), Chrom (Cr) oder Mangan (Mn) ausgewählt sind. 14. The method according to claim 13, characterized in that the silicides of silicides with copper (Cu), titanium (Ti), platinum (Pt), palladium (Pd), iron (Fe), nickel (Ni), lead (Pb) , Gallium (Ga), indium (In), cadmium (Cd), ruthenium (Ru), cobalt (Co), silver (Ag), gold (Au), iridium (Ir), osmium (Os), mercury (Hg) , Zinc (Zn), hafnium (Hf), zirconium (Zr), vanadium (V), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tungsten (W), chromium (Cr) or manganese (Mn).
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Peptide mit Hydrogenase-Aktivität durch die Aufnahme von Elektronen aktiviert werden, wobei die Elektronen den Peptiden durch einen Elektronendonator bereitgestellt werden, insbesondere: 15. The method according to any one of claims 1 to 14, characterized in that the peptides are activated with hydrogenase activity by the uptake of electrons, wherein the electrons are provided to the peptides by an electron donor, in particular:
(a) durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an Elektroden, die in das wässrige Reaktionsgemisch eingebracht sind, insbesondere durch Platin-, Kupfer-, (a) by applying an electrical voltage to electrodes, which are introduced into the aqueous reaction mixture, in particular by platinum, copper,
Titan-, Silikon-, Palladium-, Eisen-, Nickel-, Blei-, Gallium-, Indium-, Kadmium-, Ruthenium-, Kobalt-, Silber-, Gold-, Iridium-, Osmium-, Quecksilber-, Zink-, Hafnium-, Zirkonium-, Vanadium-, Niob-, Molybdän-, Tungsten-, Chrom- oder Mangan-Elektroden; und/oder
(b) durch eine Weitergabe von Elektronen über eine Elektronentransportkette im wässrigen Reaktionsgemisch, insbesondere eine Elektronentransportkette in der wenigstens ein Elektronendonator wie NADH mitwirkt, oder in der wenigstens ein Photosensibilisator aus der Gruppe der Porphyrine, zum Beispiel Zink- Tetraphenylprophyrin-Tetrasulfonat (ZnTPPS) oder Chlorophyll mitwirkt, oder in der wenigstens ein Elektronen-Träger wie Methylviologen mitwirkt. Titanium, silicon, palladium, iron, nickel, lead, gallium, indium, cadmium, ruthenium, cobalt, silver, gold, iridium, osmium, mercury, zinc , Hafnium, zirconium, vanadium, niobium, molybdenum, tungsten, chromium or manganese electrodes; and or (B) by a transfer of electrons via an electron transport chain in the aqueous reaction mixture, in particular an electron transport chain in which at least one electron donor such as NADH participates, or in the at least one photosensitizer from the group of porphyrins, for example zinc tetraphenylprophyrin tetrasulfonate (ZnTPPS) or Chlorophyll co-operates, or in which at least one electron carrier such as methyl viologen participates.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Peptide mit Hydrogenase-Aktivität kovalent mit einer Elektrode verbunden sind. 16. The method according to claim 15, characterized in that the peptides with hydrogenase activity are covalently connected to an electrode.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Photosensibilisator durch Licht wenigstens einer Lichtquelle angeregt wird, die im wässrigen Reaktionsgemisch der Hydrogenese suspendiert ist. 17. The method according to claim 15, characterized in that the photosensitizer is excited by light of at least one light source, which is suspended in the aqueous reaction mixture of the hydrogenases.
18. Verfahren einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Photosensibilisator durch Licht mehrerer Lichtquellen angeregt wird, die drahtlos mit Energie versorgt werden, und die während der Hydrogenese frei im wässrigen Reaktionsgemisch suspendiert sind. 18. The method according to any one of claims 15 to 17, characterized in that the photosensitizer is excited by the light of a plurality of light sources, which are supplied with power wirelessly, and which are suspended freely in the aqueous reaction mixture during the hydrogenation.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das wässrige Reaktionsgemisch einen Sauerstoff-Gehalt von bis zu 0,8 Volumen %, insbesondere bis zu 0,6 Volumen %, insbesondere bis zu 0,4 Volumen %, insbesondere bis zu 0,2 Vol.-%, insbesondere bis zu 0,1 Vol.-%, insbesondere 0,05 Vol-% aufweist, oder sauerstofffrei ist. 19. The method according to any one of claims 1 to 18, characterized in that the aqueous reaction mixture has an oxygen content of up to 0.8% by volume, in particular up to 0.6% by volume, in particular up to 0.4% by volume, in particular up to 0.2% by volume, in particular up to 0.1% by volume, in particular 0.05% by volume, or is oxygen-free.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Sauerstoff in dem wässrigen Reaktionsgemisch während oder nach der Hydrogenese gebunden wird, insbesondere durch Zugabe zumindest eines Bindemittels. 20. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that oxygen is bound in the aqueous reaction mixture during or after the hydrogenation, in particular by adding at least one binder.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das bzw. die Bindemittel nach der Aufnahme von Sauerstoff regeneriert wird bzw. werden. 21. The method according to claim 20, characterized in that the or the binder is regenerated or after the absorption of oxygen.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 121 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff biochemisch oder chemisch gebunden wird.
22. The method according to any one of claims 1 to 121, characterized in that the oxygen is bound biochemically or chemically.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass (a) zur biochemischen Bindung des Sauerstoffs Hämoglobin, Myoglobin oder Porphyrine als Bindemittel zugegeben wird, und (b) zur chemischen Bindung des Sauerstoffs Hydrazin und/oder ein, insbesondere Eisen-Hydrazin, oder ein Terpen, insbesondere a-Terpen und/oder Isopren, und/oder ein Derivat hiervon als Bindemittel zugegeben wird. 23. The method according to claim 22, characterized in that (a) for the biochemical binding of oxygen hemoglobin, myoglobin or porphyrins is added as a binder, and (b) for the chemical bonding of the oxygen hydrazine and / or a, in particular iron hydrazine, or a terpene, in particular a-terpene and / or isoprene, and / or a derivative thereof is added as a binder.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Myoglobin und/oder das Porphyrine nach der Aufnahme von Sauerstoff elektrochemisch und/oder biochemisch und/oder physikalisch regeneriert wird bzw. werden. 24. The method according to claim 23, characterized in that the myoglobin and / or the porphyrins is regenerated after the absorption of oxygen electrochemically and / or biochemically and / or physically.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl 25. The method according to any one of claims 1 to 24, characterized in that both
(a) die Abtrennung der gasförmigen Zwischenprodukte Wasserstoff undSauerstoff von dem wässrigen Reaktionsgemisch, als auch (a) the separation of the gaseous intermediates hydrogen and oxygen from the aqueous reaction mixture, as well
(b) die Abtrennung des Methans von dem Bakterienmedium, über eine Membran, insbesondere über eine poröse Membran aus CLPE (cross-linked Polyethylene), insbesondere über eine CLPE-Membran mit einer inneren Schicht aus PATBS (Poly(acrylamid-tert-butyl-sulfonsäure)), erfolgt. (b) the separation of the methane from the bacterial medium, via a membrane, in particular via a porous membrane of CLPE (cross-linked polyethylene), in particular via a CLPE membrane with an inner layer of PATBS (poly (acrylamide-tert-butyl) sulfonic acid)).
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung von alternativen Energieerzeugungsanlagen, insbesondere von Windkraft- oder Photovoltaik-Anlagen, bereitgestellt wird. 26. The method according to any one of claims 13 to 25, characterized in that the electrical voltage of alternative power generation systems, in particular of wind power or photovoltaic systems, is provided.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid atmosphärisches Kohlendioxid oder Kohlendioxid aus Industrie- oder27. The method according to claim 26, characterized in that the carbon dioxide atmospheric carbon dioxide or carbon dioxide from industrial or
Verbrennungsprozessen ist. Combustion processes.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Einsatz von 1 mg Peptiden mit Hydrogenase-Aktivität mehr als 0,5 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 1 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 1 ,5 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 2 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 2,5 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 3 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 3,5 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 4 Liter Wasserstoff, insbesondere mehr als 4,5 Liter
Wasserstoff, insbesondere bis zu ca. 4,67 Liter Wasserstoff pro Liter Reaktionsgemisch und Stunde erzeugt werden. 28. The method according to any one of claims 1 to 27, characterized in that when using 1 mg of peptides with hydrogenase activity more than 0.5 liters of hydrogen, in particular more than 1 liter of hydrogen, in particular more than 1, 5 liters of hydrogen, in particular more than 2 liters of hydrogen, in particular more than 2.5 liters of hydrogen, in particular more than 3 liters of hydrogen, in particular more than 3.5 liters of hydrogen, in particular more than 4 liters of hydrogen, in particular more than 4.5 liters Hydrogen, in particular up to about 4.67 liters of hydrogen per liter of reaction mixture and hour are generated.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass 0,124 Liter, insbesondere mehr als 0,248 Liter, insbesondere mehr als 0,372 Liter, insbesondere mehr als 0,496 Liter, insbesondere mehr als 0,62 Liter, insbesondere mehr als 0,744 Liter, insbesondere mehr als 0,868 Liter, insbesondere mehr als 0,992 Liter, insbesondere mehr als 1 ,1 16 Liter, insbesondere bis zu ca. 1 ,16 Liter reines, Kohlendioxid-neutrales Methan erzeugt werden. 29. The method according to claim 28, characterized in that 0.124 liters, in particular more than 0.248 liters, in particular more than 0.372 liters, in particular more than 0.496 liters, in particular more than 0.62 liters, in particular more than 0.744 liters, in particular more than 0.868 Liter, in particular more than 0.992 liters, in particular more than 1, 1 16 liters, in particular up to about 1, 16 liters of pure, carbon dioxide-neutral methane are produced.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Einsatz von 1 mg Peptiden mit Hydrogenase-Aktivität mehr als 500 μηηοΙ Wasserstoff, insbesondere mehr als 1000 μηηοΙ Wasserstoff, insbesondere mehr als 1500 μηηοΙ Wasserstoff, insbesondere mehr als 2000 μηηοΙ Wasserstoff, insbesondere mehr als 2500 μηηοΙ Wasserstoff, insbesondere mehr als 3000 μηηοΙ Wasserstoff, insbesondere bis zu 3500 μηηοΙ Wasserstoff pro Minute gewonnen werden.
30. The method according to any one of claims 1 to 28, characterized in that when using 1 mg of peptides with hydrogenase activity more than 500 μηηοΙ hydrogen, in particular more than 1000 μηηοΙ hydrogen, in particular more than 1500 μηηοΙ hydrogen, in particular more than 2000 μηηοΙ hydrogen, in particular more than 2500 μηηοΙ hydrogen, in particular more than 3000 μηηοΙ hydrogen, in particular up to 3500 μηηοΙ hydrogen per minute are obtained.
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