KomBiChemPro

Fein- und Plattformchemikalien aus Holz durch kombinierte chemisch-biotechnologische Prozesse - Fachbereich Biotechnologische Verfahren

Abb. 1: Struktur und Arbeitsinhalte des Verbundvorhabens KomBiChemPro.

Im Rahmen des Vorhabens KomBiChemPro sollen Ergebnisse verschiedener anwendungsorientierter Entwicklungsarbeiten zur stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe, speziell aus Lignocellulosen, zusammengeführt, mit neuen Ansätzen aus der Forschung kombiniert und in einem integrierten Konzept demonstriert werden. Damit soll ein Durchbruch bei der Umsetzung dieser Technologien erzielt werden. Wichtigster Aspekt dabei ist die Herstellung von nachgefragten, marktfähigen Produkten durch robuste, effiziente und integrierte Prozessführung, damit eine breite Anwendbarkeit und Konkurrenzfähigkeit gegenüber petrochemisch hergestellten Plattformchemikalien gewährleistet ist. Im Projekt KomBiChemPro wird die gesamte Prozesskette der stofflichen Verwertung von Lignocellulose betrachtet. Ergebnisse aus dem Labor- und Technikums-Maßstab werden in die Pilotanlagen des Fraunhofer CBP übertragen und so die gesamte Prozesskette abgebildet (Abb. 1). So wird die Verwertung der aus Buchenholz gewonnenen Fraktionen (Cellulose, Hemicellulose und Lignin) ganzheitlich betrachtet.

Eine Aufgabe der Arbeitsgruppe »Biotechnologischen Verfahren« des Fraunhofer CBP ist die Untersuchung der Verwertbarkeit von C5-Zuckern der Hemicellulose-Fraktion. Dazu werden Fermentationen zur Produktion von Xylon- und Äpfelsäure mit Xylose als Substrat, welche den Hauptanteil der C5-Zucker in der Hemicellulose ausmacht, entwickelt. Neben Experimenten im Labor- und Technikums-Maßstab zur Optimierung der Fermentationen werden Berechnungen für den Scale up bis in den 1-m³‑Maßstab durchgeführt. Bei der Maßstabsübertragung sollten möglichst geometrische und stoffliche Ähnlichkeit bei den betrachteten Verfahren gewährleistet werden. Darüber hinaus sind die Prozessbedingungen mit Hilfe zumeist dimensionsloser maßstabsinvarianter Kennzahlen wie z.B. kLa–Wert oder Rührerumfangsgeschwindigkeit auf den größeren Maßstab zu übertragen. Diese Bedingungen werden bei der Entwicklung des neuen Prozesses berücksichtig und können im technischen Maßstab validiert werden.

Ein weiterer Fokus liegt auf der anschließenden Aufarbeitung der Xylon- und Äpfelsäure. Nach der Biomasseabtrennung durch Separation/Filtration schließt sich eine Feinreinigung an. Dazu werden verschiedene Methoden und Technologien, wie beispielweise Fällungsreaktionen und Filtrationstechniken, untersucht. Nach ausführlicher Bilanzierung und Bewertung wird ein ausgewählter Prozess in den 1-m³-Bioreaktor übertragen, um die technische Machbarkeit der gesamten Prozesskette zu demonstrieren und Produkte für die anwendungstechnische Charakterisierung im Polymerbereich bereitstellen zu können.

Für die Äpfelsäure besteht ein stetig wachsender Markt, da diese in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie eingesetzt wird. Hier dient die Äpfelsäure als Lieferant für den sauren Geschmack in Produkten wie z.B. Marmeladen und Säften oder sie wird für die Verbesserung der Haltbarkeit in Backwaren eingesetzt. Aber auch das Potential als Baustein in der Chemieindustrie ist für die Äpfelsäure erheblich. Zusammen mit Bernstein- und Fumarsäure gehört sie zu der Gruppe der C4-Dicarbonsäuren. C4-Säuren können in 1,4-Butandiol (BDO) umgewandelt werden – eine wichtige Vorstufe zur weiteren Konversion in eine Vielzahl von Chemikalien, darunter Kunststoffe, Polymere und Harze zur Verwendung in z.B. Golfbällen bis hin zu Druckfarben und Reinigungsmitteln. Die biotechnologische Herstellung der Äpfelsäure wird von der Arbeitsgruppe Industrille Biotechnologie (WBT) vom Fraunhofer IGB mit Aspergillus Stämmen, welche den G.R.A.S. Status haben, etabliert.

Die Xylonsäure ist eine kostengünstige Alternative zur Gluconsäure und umgeht die Probelmatik der Konkurrenz zwischen der Verwendung der Gluconsäure in der Lebensmittelindustrie oder der Chemischenindustrie. Man kann die Xylonsäure des weiteren als vielseitige Plattformchemikalie einsetzen, z.B. als Komplex- oder Chelatbildner sowie als Vosrstufe für Verbindungen wie Copolyamide, Polyester, Hydrogele sowie 1,2,4-Butantriol. Für die D-Xylonsäure existiert bisher kein Markt, deshalb waren die Anreize zur Entwicklung und Skalierung von Produktionsprozessen gering. Doch mit zunehmender Notwendigkeit, petrobasierte Chemikalien und glucosebasierte Verbindungen, wie z.B. Gluconsäure, durch alternative Chemikalien zu ersetzen, wird das Interesse ein einer großtechnischen Produktion wachsen. Die fermentative Herstellung der Xylonsäure soll mit Gluconobacter sp. und Pseudomonas sp. erfolgen. Die dafür notwendige Etablierung einer geigneten Fermentation und die Bestimmung von Dimensionlosen Kennzahlen, wie z.B. Rüührerumfangsgeschwindigkeit und kLa werden am Fraunhofer IGB von der Arbeitsgruppe Industrielle Biotechnologie (WBT) durchgeführt.

Projektinformationen

Projekttitel

KomBiChemPro – Fein- und Plattformchemikalien aus Holz durch kombinierte chemisch-biotechnologische Prozesse

 

Projektlaufzeit

15.November 2015 – 14.Mai 2018

 

Koordinator

  • Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP
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Kooperationspartner

  • Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH DBFZ
  • Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP
  • Thünen-Institut für Holzforschung (im Unterauftrag)
  • Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme (im Unterauftrag)
  • Universität Stuttgart - Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmaphysik IGVP (im Unterauftrag)

Förderung

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Projektträger Jülich für die Förderung des Projekts »KomBiChemPro – Fein- und Plattformchemikalien aus Holz durch kombinierte chemisch-biotechnologische Prozesse«, Förderkennzeichen 031B0083A.