Wichtiger Synthesebaustein 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA)
2,5‑Furandicarbonsäure (FDCA) und andere Dicarbonsäuren sind aufgrund ihrer Bifunktionalität wichtige Synthesebausteine in der chemischen Industrie. 2,5‑Furandicarbonsäure gilt zudem als vielversprechende Plattformchemikalie mit einem großen Marktpotenzial: Das US‑Energieministerium etwa listet FDCA als eine der Top‑12‑Chemikalien, welche aus Biomasse hergestellt werden können. Auch in einer Folgestudie wurde FDCA aufgrund ihrer potenziellen Anwendungen ebenfalls in die Top‑10 aufgenommen.
FDCA gilt als so vielversprechend aufgrund der hohen Strukturhomologie zur Terephthalsäure. Aus dieser wird der vielfältig eingesetzte Kunststoff Polyethylenterephthalat (PET) synthetisiert, dessen jährliches Marktvolumen ca. 40 Millionen Tonnen beträgt (Status von 2004).
Biobasiertes Polyester PEF
Analog zur Polymerisation von Terephthalsäure zu PET kann FDCA zum Polyester Polyethylenfuranoat (PEF) polymerisiert werden. Die aus nachwachsenden Rohstoffen herstellbare FDCA bietet somit einen nachhaltigen Ersatz für die aus Erdöl gewonnene Terephthalsäure bei der Herstellung von Polymeren auf biologischer Basis.
PEF ist nicht nur ein biobasierter Kunststoff, sondern – im Gegensatz zu PET – auch biologisch abbaubar. Haptisch und optisch ähnelt das Polymer durchaus dem petrochemischen Äquivalent PET. PEF zeichnet sich nicht nur durch seine Nachhaltigkeit aus, sondern weist zudem eine deutlich verbesserte Gas- und Wasserrückhaltefähigkeit als PET auf: Sein Wasserrückhaltevermögen ist doppelt so hoch und es hat eine sechsfach bzw. zehnfach bessere Barriere‑Eigenschaft gegenüber Kohlenstoffdioxid bzw. Sauerstoff.
Biotechnologische Herstellung von FDCA
FDCA kann aus verschiedenen Ausgangsmaterialien hergestellt werden, aber Hydroxymethylfurfural (HMF) ist das vielversprechendste, da es verschiedene Syntheserouten wie eine chemische oder biologische Synthese (mikrobiell oder enzymatisch) ermöglicht. Die Biokatalyse stellt einen vielversprechenden Ansatz dar. Vorteile sind milde Reaktionsbedingungen, geringere Kosten, höhere Selektivität und Umweltfreundlichkeit. Allerdings ist die biologische Produktion von FDCA noch nicht etabliert.
Die Forschungsaktivitäten des Fraunhofer IGB fokussieren daher auf die Etablierung einer Ganzzellkatalyse von HMF zu FDCA. Im Forschungsvorhaben BioConSept konnten wir durch gezielte Fütterungsstrategien von Hydroxymethylfurfural, welches aus lignocellulosehaltiger Biomasse gewonnen wurde, erfolgreich eine mikrobielle Ganzzellkatalyse etablieren, bei der im Labor eine Ausbeute von mehr als 80 Prozent bei einer Konzentration von bis zu 20 g/L FDCA erreicht wurde. Das anschließende Scale‑up erfolgte anhand von Modellexperimenten mit skalierbaren Reaktoren oder Fermentern im Labor. Anhand hierbei ausgewählter dimensionsloser Kennzahlen konnten wir die Prozesse in der maßstäblich größeren Pilotanlage auslegen und erfolgreich durchführen.
Um die Biotransformation von HMF zu FDCA geht es auch in dem aktuellen Forschungsvorhaben KEFIP. Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines nachhaltigen mehrstufigen Verfahrens zur Konversion inulinhaltiger Chicorée‑Wurzelrüben, einem landwirtschaftlichen Abfallprodukt. HMF wird hier mittels hydrothermaler Dehydratisierung aus Inulin der Wurzelrüben gewonnen und anschließend zu FDCA oxidiert. Die Arbeiten am IGB sind neben der Inulin-Extraktion aus den Wurzelrüben, auch die mikrobielle Oxidation vom HMF zur FDCA.