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

Das Verbundvorhaben KomBiChemPro hat das Ziel, verschiedene Entwicklungsarbeiten zur stofflichen Nutzung lignocellulosehaltiger Biomasse in einem integrierten Bioraffineriekonzept zusammenzuführen. Wichtigster Aspekt ist dabei die Herstellung marktfähiger Produkte durch robuste Prozesse und effiziente Verfahrensführung, damit eine breite Anwendbarkeit und Konkurrenzfähigkeit gegenüber petrochemisch hergestellten Materialien und Chemikalien gewährleistet ist.

Hierzu 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. So wird die Verwertung der aus Buchenholz gewonnenen Fraktionen (Cellulose, Hemicellulose und Lignin) ganzheitlich betrachtet.

Struktur und Arbeitsinhalte des Verbundvorhabens KomBiChemPro.

Aufbauend auf Arbeiten der beteiligten Partner werden die Teilprozesse an einem Standort kombiniert, in ausreichender Dimension abgebildet und bilanziert. Nur dadurch können belastbare Aussagen über die gesamte Wertschöpfungskette von der Rohstoffaufbereitung über die Konversion bis zur Produktabtrennung erhalten werden. Die ingenieurstechnischen Daten sowie die Stoff- und Energiebilanzen lassen Rückschlüsse auf die Skalierbarkeit der Prozesse zu und ermöglichen es, das Potenzial der Prozessintegration voll auszuschöpfen.

Zellstoffe aus Organosolv‑Aufschluss

Die Basis des Vorhabens stellt der physikalisch‑chemische Aufschluss von Holz mit Alkohol-Wasser-Mischungen (Organosolv‑Verfahren) dar, welcher der Gewinnung aller drei Hauptkomponenten von Lignocelllulose (Cellulose, Hemicellulose und Lignin) ermöglicht.

Als Alternative zur Herstellung von Glucose ist die Gewinnung von Faserstoffen und Zellstoff mit diesem Verfahren eine weitere, wirtschaftlich attraktive Option [1].

Chemische Umsetzung von Hemicellulose und Lignin

Hydrothermale Verfahren eignen sich gut, um wässrige Systeme (wie in diesem Fall die Hemicellulosefraktion) umzusetzen, da Wasser bei diesen Prozessen gleichzeitig Lösungsmittel und Reaktionspartner darstellt [2, 3, 4]. Das Ziel ist, die Bedingungen so auszuwählen, dass Zucker oder Furane selektiv aus der Hemicellulosefraktion gewonnen werden können. In nachfolgenden Aufarbeitungsschritten lassen sie sich dann als Ausgangsmaterial für Fermentationen oder als Basischemikalien abtrennen. Zur Erhöhung der Wertschöpfung werden die durch den Aufschluss erhaltenen Organosolv‑Lignine – ebenfalls unter hydrothermalen Bedingungen – durch basenkatalysierte Spaltung in Phenolbruchstücke überführt. Der am Fraunhofer CBP etablierte Prozess wird weiter hinsichtlich der Produktselektivitäten sowie der Energie- und Stoffbilanzen verbessert.

Fermentative Herstellung von Äpfel- und Xylonsäure

Neben der hydrothermalen Umsetzung bieten sich biokatalytische Prozesse zur Konversion von Pentosen und Hexosen an. Für Äpfelsäure besteht ein wachsender Markt, da diese als Geschmacksstoff oder zur Haltbarmachung von Lebensmitteln eingesetzt wird und Potenzial als Polymerbaustein oder in Druckfarben bietet. Xylonsäure ist ebenfalls vielseitig einsetzbar, z. B. als Vorstufe für Polyester oder Hydrogele.

Eine Aufgabe war daher, die Verwertbarkeit von C5‑Zuckern der Hemicellulose‑Fraktion zu untersuchen und Fermentationen zur Produktion von Xylon- und Äpfelsäure mit Xylose als Substrat, welche den Hauptanteil der C5‑Zucker in der Hemicellulose ausmacht, zu entwickeln. Neben Experimenten im Labor- und Technikums‑Maßstab zur Optimierung der Fermentationen wurden 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 waren die Prozessbedingungen mithilfe zumeist dimensionsloser maßstabsinvarianter Kennzahlen wie z. B. kLa-Wert oder Rührerumfangsgeschwindigkeit auf den größeren Maßstab zu übertragen. Diese Bedingungen wurden bei der Entwicklung des neuen Prozesses berücksichtigt und im technischen Maßstab validiert.

Ein weiterer Fokus liegt auf der anschließenden Aufarbeitung der Xylon- und Äpfelsäure. Nach der Biomasseabtrennung durch Separation/Filtration schließt sich eine Feinreinigung an. Dazu wurden verschiedene Methoden und Technologien, wie beispielweise Fällungsreaktionen und Filtrationstechniken, untersucht.  

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Ausblick

Neben der ökonomischen Bewertung der am Fraunhofer CBP durchgeführten Versuche wird das DBFZ mit einer ökologischen Betrachtung Vor- und Nachteiler dieses Bioraffineriekonzeptes herausarbeiten, um die bestehenden Defizite zu beseitigen. Weitere Versuche im Pilotmaßstab ermöglichen zudem die Herstellung von Mustermengen für anwendungstechnische Charakterisierungen und die Ermittlung der Produktspezifikation.

 

Projektinformationen

Projekttitel

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

 

Projektlaufzeit

November 2015 – Mai 2018

 

Projektpartner

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

Förderung

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Projektträger Jülich (PTJ) für die Förderung des Projekts »KomBiChemPro«, Förderkennzeichen 031B0083A.