Chemie und Prozessindustrie

Die chemische Industrie gehört zu den bedeutendsten und forschungsintensivsten Branchen in Deutschland. Viele Innovationen in der Automobil-, Elektro- und Elektronikindustrie, Bauwirtschaft oder Verpackungstechnik wären ohne den Beitrag der Chemie nicht möglich.

Die chemische Industrie ist gekennzeichnet durch rohstoff- und energieintensive Prozesse. Die Abhängigkeit vom Import der Rohstoffe, die Begrenztheit der fossilen Ressourcen weltweit – auch im Wettbewerb mit der energetischen Nutzung – und die Notwendigkeit, Auswirkungen auf das Klima und die Umwelt zu berücksichtigen, rücken deshalb auch in unseren Arbeiten Ansätze in den Vordergrund, fossile Ressourcen besser zu nutzen oder zu substituieren.

 

Vernetzung und Kooperation

Unsere ausgeprägte Vernetzung mit anderen Instituten der Fraunhofer-Verbünde Life Sciences und »Werkstoffe, Bauteile – MATERIALS« sowie der Fraunhofer-Allianzen Nanotechnologie, Photokatalyse, Polymere Oberflächen POLO® und Reinigungstechnik, zu Universitäten und anderen Forschungseinrichtungen ist ein Garant für die kompetente Bearbeitung auch interdisziplinärer Fragestellungen.

Funktionale Oberflächen und Materialien

Durch die Entkopplung von Volumen- und Oberflächeneigenschaften von Materialien durch Grenzflächenverfahrenstechnik, beispielsweise in Form maßgeschneiderter Beschichtungen, die ihrerseits verfahrenstechnisch auf Ressourceneffizienz ausgelegt sind, ergeben sich neue Wahlmöglichkeiten für die Basismaterialien von Werkstücken und damit auch für neue Produkte auf Basis einer nachhaltigen Rohstoffauswahl.

Oberflächen von Kunststoffen, Keramiken oder Metallen verleihen wir neue Eigenschaften, indem wir dünne Schichten auftragen oder definierte Funktionen an Oberflächen erzeugen. Hierzu setzen wir Gasphasenprozesse (CVD, PVD, PECVD), nasschemische Verfahren oder kombinierte Verfahren ein. Für offenporige polymere Schäume mit funktionellen Gruppen haben wir eine einstufige Synthesestrategie entwickelt.

 

Forschungsthemen und Referenzprojekte

Fermentation und Biokatalyse

Unsere Arbeiten zielen auf die Entwicklung von biotechnologischen (fermentativen oder biokatalytischen) Prozessen zur Herstellung von Chemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen oder biogenen Reststoffen. Optimierte Transformationsprozesse erreichen wir dabei auch durch die Kopplung mit chemischen Prozessen. Unser Leistungsspektrum umfasst das Screening nach neuen, industriell nutzbaren Enzymen, Chemokatalysatoren oder Mikroorganismen (Bakterien, Pilze) und die Entwicklung von Produktionsverfahren für Fein- und Basischemikalien inkl. des Scale-ups und der Produktaufarbeitung.

 

Forschungsthemen und Referenzprojekte

Biobasierte Chemikalien

Fermentations- und Aufarbeitungsverfahren wurden am Fraunhofer IGB beispielsweise für C2-Verbindungen (Ethylen, Essigsäure, Ethanol) und C3-Verbindungen (Propen, Propanol, Propandiol, Propionsäure, Milchsäure), darüber hinaus für Dicarbonsäuren wie Itaconsäure, für Aminosäuren oder Proteine wie Thaumatin und Bacteriorhodopsin erfolgreich bearbeitet.

Ausgehend von nachwachsenden Rohstoffen wie Rapsöl oder Algenlipiden wurden auch Herstellungswege für die biotechnologische Synthese von Grundstoffen für die Kunststoffherstellung aufgezeigt, etwa langkettigen Dicarbonsäuren und Fettsäureepoxide.

Ausgewiesene Expertise besitzen wir in der mikrobiellen Herstellung von Biotensiden für Anwendungen als Emulgatoren oder Reinigungsmittel, vor allem von Mannosylerythritollipiden (MEL) und Cellobioselipiden (CL), die durch verschiedene Brandpilze der Gattungen Ustilago sp. und Pseudozyma sp. gebildet und ins Nährmedium sekretiert werden.

 

Forschungsthemen und Referenzprojekte

Bioraffinerie-Konzepte

Ein nachhaltiger Ansatz für die Herstellung chemischer Produkte ist die möglichst vollständige Verwertung von Biomasse nach dem Prinzip einer Bioraffinerie. In Analogie zur petrochemischen Raffinerie wird in einer Bioraffinerie der Rohstoff zunächst aufgeschlossen, in verschiedene Fraktionen getrennt und mit z. B. fermentativen, ggf. aufeinanderfolgenden Prozessschritten zu Basischemikalien und Zwischenprodukten unterschiedlicher Komplexität umgesetzt, aus denen über weitere Konversionsschritte Produkte höherer Wertschöpfung wie Feinchemikalien oder Biopolymere entstehen.

Verschiedene land- und forstwirtschaftliche Reststoffe (Stroh, Holzabfälle) sowie organische Reststoffe unterschiedlicher Industriezweige (Molke, Krabbenschalen und Insektenpanzer, Terpene) konnten wir bereits erfolgreich als Rohstoffquelle erschließen und durch fermentative oder biokatalytische und kombinierte chemische Prozesse zu Basischemikalien umsetzen, die weiter zu Feinchemikalien oder Biopolymeren aufgearbeitet werden. Die parallele oder anschließende energetische Nutzung der Restbiomasse schließt den Kreislauf und erhöht den Gesamtwirkungsgrad.

 

Forschungsthemen und Referenzprojekte

 

(Elektro-)chemische Umwandlung

Im Zuge des Energiewende und dem Ausbau der regenerativen Energieerzeugung steht witterungsabhängig vermehrt Überschussstrom zur Verfügung. Um diese Stromspitzen auch nutzen zu können, werden einerseits Speichertechnologien wie Batterien oder chemische Energiespeicher entwickelt. Der Strom kann aber auch direkt zur Herstellung von Chemikalien genutzt werden. Die elektrochemische Synthese von Chemikalien wird hiermit nicht nur wirtschaftlich, sondern stellt – neben der Stromspeicherung – auch einen sinnvollen Verwertungspfad zum Ausgleich von Stromspitzen dar.

Im Fraunhofer-Leitprojekt »Strom als Rohstoff« entwickelt das Fraunhofer IGB ein einstufiges Verfahren, mit dem Ethen elektrochemisch in nur einem Verfahrensschritt hergestellt werden soll. Eine Elektrolysezelle, in der sich mit elektrischer Energie nur aus Wasser und Luft Wasserstoffperoxid herstellen lässt, ist bereits als Prototyp verfügbar.

 

Forschungsthemen und Referenzprojekte

Aufarbeitungstechnologien

Die Stofftrennung ist in vielen Bereichen der chemischen Industrie ein zentraler Prozessschritt, denn sowohl Rohstoffe als auch Synthese- oder Fermentationsprodukte liegen oftmals als Stoffgemische vor. Ziel ist daher die Entwicklung wirtschaftlicher und energieeffizienter Verfahren zum Upstream- und Downstream Processing mit effektiver Separation von Stoffströmen mittels Membranen oder anderen Trenntechniken.

Speziell bei biotechnischen Prozessen liegt das zu gewinnende Produkt verdünnt in der Fermentationslösung vor und muss konzentriert, isoliert und von Bestandteilen des Fermentationsmediums gereinigt werden. Das Fraunhofer IGB entwickelt schonende und effiziente Aufarbeitungsverfahren für Synthesebausteine, Lebensmittelzusatzstoffe oder pflanzliche Naturstoffe und plant entsprechende Anlagen. Im Fokus stehen ressourceneffiziente Verfahren, die vielstufige Aufarbeitungsprozesse vereinfachen und die falls erforderlich mit herkömmlichen Trennverfahren wie Zentrifugation, Extraktion oder chromatographischen Verfahren kombiniert werden.

 

Forschungsthemen und Referenzprojekte

Welche Abteilungen forschen im Geschäftsfeld Chemie und Prozessindustrie?