Biotechnische Produktionsprozesse – Biobasierte Chemikalien

Fossile Ressourcen wie Erdöl und Erdgas sind momentan noch unverzichtbar als Ausgangsstoff für die Herstellung von Grundchemikalien. Doch ihre Nutzung hat wesentlich zu einem Anstieg des atmosphärischen Kohlenstoffdioxids beigetragen und letztlich ist ihre Verfügbarkeit begrenzt.

Biomasse stellt eine alternative und erneuerbare Rohstoffbasis für die Erzeugung chemischer Produkte dar. Ihre Nutzung und Konversion ist die Basis einer biobasierten Wirtschaft, kurz Bioökonomie. Ziel dabei ist es, Ökonomie und Ökologie in größtmöglichen Einklang zu bringen – das heißt, Prozesse gleichzeitig umweltverträglich und wirtschaftlich zu gestalten, sodass Prozesse schnellstmöglich auch großtechnisch eingesetzt werden können. Werden nachwachsende Rohstoffe oder biogene Reststoffe anstelle fossiler Kohlenstoffquellen für die Herstellung von Chemikalien eingesetzt, hilft dies, den Ausstoß von Treibhausgasen zu verringern und das Klima zu schonen.

Das Forschungsfeld der biotechnischen Produktion von Produkten für die Chemie wird am Fraunhofer IGB interdisziplinär in Stuttgarter Abteilungen sowie den Institutsteilen in Straubing (BioCat) und Leuna (Fraunhofer CBP) bearbeitet. Unsere Arbeiten zielen dabei auf die Entwicklung fermentativer oder biokatalytischer Prozesse und ggf. der Kopplung mit chemischen Prozessen. Bereits bei der Entwicklung der Konversionsverfahren im Labormaßstab und der Optimierung der Biokatalysatoren steht die Skalierbarkeit der Prozesse sowie die Aufarbeitung der Produkte im Mittelpunkt. Am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna verfügt das Institut über Pilotanlagen, die zur Realisierung bis in produktionsrelevante Dimensionen genutzt werden.

Fermentation und Biokatalyse

In diesem Kontext kommt der industriellen oder weißen Biotechnologie, bei der Chemikalien und chemische Grundstoffe mit biotechnologischen oder kombinierten Verfahren hergestellt werden, eine Schlüsselrolle zu. Biotechnologische Verfahren sind aufgrund hochspezifischer Katalysatoren in vielen Fällen energie- und stoffeffizienter – und damit gleichermaßen umweltverträglicher und wirtschaftlicher – als herkömmliche Verfahren, wie die Herstellung hochkomplexer Verbindungen wie Vitamine und Kosmetika oder Aminosäuren mithilfe von Mikroorganismen bereits heute zeigt.

Unsere Arbeiten zielen auf die Entwicklung und Optimierung biotechnologischer (fermentativer oder biokatalytischer) Prozesse zur Herstellung von Chemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen oder biogenen Reststoffen. Neben milden Reaktionsbedingungen und hoher Spezifität bieten biotechnologische Verfahren auch den Vorteil, dass die Produktvielfalt aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher Mikroorganismen nahezu unerschöpflich ist.

Optimierte Transformationsprozesse erreichen wir dabei auch durch die Kopplung mit chemischen Prozessen. Unser Leistungsspektrum umfasst das Screening nach neuen Chemokatalysatoren, industriell nutzbaren Enzymen und Mikroorganismen (Bakterien, Pilze) sowie die Entwicklung von Produktionsverfahren für Fein- und Basischemikalien inkl. des Scale-up und der Produktaufarbeitung. Dabei berücksichtigen wir die Skalierbarkeit der Prozesse und die Aufarbeitung der Produkte bereits bei der Entwicklung der Konversionsprozesse im Labormaßstab und der Optimierung der Biokatalysatoren selbst.

 

Referenzprojekte und Artikel zum Thema

Weiterführende Information zum Thema

 

Biobasierte Chemikalien

Um das gesamte Potenzial der stofflichen Vielfalt pflanzlicher Biomasse ausschöpfen zu können, werden biotechnische gegebenenfalls mit geeigneten chemischen Verfahren kombiniert. Unser Ziel ist es, die Konversion so zu gestalten, dass die resultierenden Verbindungen direkt als Plattformchemikalien für die Chemieindustrie zur Verfügung stehen und skalierbare Verfahren zu entwickeln, die eng mit bereits bestehenden Produktionsstrukturen vernetzt werden können.

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 (Äpfel- und 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 Fettsäureepoxiden. Bei langkettigen Dicarbonsäuren aus Ölen wurde der Prozess so optimiert, dass die anschließende Aufreinigung möglichst einfach ist.

Ausgewiesene Expertise besitzen wir in der mikrobiellen Herstellung von Biotensiden für Anwendungen als Detergenzien, Emulgatoren und Wirkstoffe in Kosmetik, Pflanzenschutz und für technische Anwendungen. Durch Optimierung des Herstellungsverfahrens für Mannosylerythritollipide (MEL) und Cellobioselipide (CL) mit Brandpilzen der Gattungen Ustilago sp. und Pseudozyma sp. konnten wir die Produktkonzentrationen der ins Medium ausgeschleusten Biotenside signifikant erhöhen.

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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 chemischen oder biotechnologischen, ggf. aufeinanderfolgenden Prozessschritten zu Basischemikalien und Zwischenprodukten unterschiedlicher Komplexität umgesetzt. Über weitere Konversionsschritte können daraus Produkte höherer Wertschöpfung wie Feinchemikalien oder Biopolymere entstehen. Durch Koppelproduktion oder Kaskadennutzung ist es möglich, die stoffliche mit einer energetischen Nutzung von Biomasse zu kombinieren, wenn sich organische Bestandteile nicht wirtschaftlich stofflich nutzen lassen.  

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.

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Downstream Processing

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 falls erforderlich mit herkömmlichen Trennverfahren wie Zentrifugation, Extraktion oder chromatographischen Verfahren kombiniert werden.

Interdisziplinäres Forschungsfeld zwischen Stuttgart, Straubing und Leuna

Das Themengebiet der biotechnischen Produktion von Chemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen oder biogenen Reststoffen wird am Fraunhofer IGB innerhalb verschiedener Abteilungen und Institutsteile bearbeitet. 

Die Kompetenzen am Standort Stuttgart werden ergänzt durch den Straubinger Institutsteil BioCat. Am Fraunhofer IGB entwickelte Prozesse können am Fraunhofer CBP in den technischen oder industriellen Maßstab skaliert werden.

Beteiligte Arbeitsgruppen