KEFIP – Komplementäre chemisch-biotechnologische Verfahrensentwicklung zur neuartigen Herstellung der 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) aus Inulin-akkumulierenden Pflanzen

Herausforderung: Biobasierte Bausteine für bioabbaubare Kunststoffe

Herkömmliche Kunststoffe werden aus Erdöl hergestellt, einem begrenzten fossilen Rohstoff. Biobasierte Polyester und Polyamide sind eine vielversprechende Alternative. 2,5‑Furandicarbonsäure (FDCA) kann aus Biomasse hergestellt werden und gilt als nachhaltiges Substitut für p‑Terephtalsäure, der Ausgangsubstanz für PET.

Vorteile und Anwendungen

Zudem sind aus FDCA synthetisierte Polymere, wie etwa Polyethylenfuranoat (PEF), nicht nur biobasiert, sondern auch biologisch abbaubar. Das Polyester PEF hat zudem eine deutlich verbesserte Gas- und Wasserrückhaltefähigkeit als sein erdölbasiertes Analogon PET. Weshalb FDCA als nachhaltiges p‑Terephtalsäuresubstitut mit entsprechend großen Marktchancen gehandelt wird.

Ziel des Forschungsvorhabens KEFIP ist die Entwicklung eines nachhaltigen, mehrstufigen Verfahrens zur Konversion inulinhaltiger Chicorée‑Wurzelrüben, eines landwirtschaftlichen Abfallprodukts, zu 2,5‑Furandicarbonsäure (FDCA). Inulin ist ein pflanzlicher Speicherstoff, der aus Fruktosebausteinen besteht. Das Polysaccharid findet u. a. Einsatz in der Lebensmittelindustrie. Während hier möglichst hochmolekulares Inulin benötigt wird, kann im KEFIP‑Ansatz Inulin unabhängig vom Polymerisationsgrad verwendet werden. Dadurch werden Nutzungskonkurrenzen des Biomasse‑Rohstoffs vermieden.

Herstellung von FDCA aus Inulin

Im Forschungsvorhaben KEFIP wird das während des Anbaus bzw. der Treiberei aufgebaute Inulin zunächst extrahiert, mittels hydrothermaler Dehydratisierung zu 5‑Hydroxymethylfurfural (HMF) umgesetzt und anschließend biokatalytisch bzw. heterogenkatalytisch zu 2,5‑Furandicarbonsäure (FDCA) oxidiert. Im Sinne eines möglichst ressourceneffizienten Prozesses soll das aus der hydrothermalen Dehydratisierung stammende HMF nicht abgetrennt und aufgereinigt, sondern direkt für die Oxidation eingesetzt werden.

Die Gruppe Bioprozessentwicklung des Fraunhofer IGB beschäftigt sich innerhalb des Projekts KEFIP mit der Extraktion und Depolymerisierung von Inulin aus Chicorée‑Wurzelrüben, um den Projektpartnern Fruktose für die Herstellung vom HMF zur Verfügung zu stellen. Hierbei untersuchen wir verschiedene Extraktionsverfahren und auch eine Kombination von Extraktion und Depolymerisierung.

Des Weiteren entwickelt die Gruppe die biotechnologische Oxidation von HMF zur FDCA mithilfe eines Ganzzelkatalysators. Für die Fermentationsentwicklung im Labormaßstab werden zunächst die Medienzusammensetzung und die Prozessführung optimiert. Bei Fermentationen im Zulaufverfahren (Fed‑batch) testen wir zudem die Zugabe verschiedener Additive, um die Ausbeute und Konzentration an FDCA aus HMF zu erhöhen.