Forschungsschwerpunkte und Kompetenzen

Schwerpunkte

Nach positiver Evaluierung im Jahr 2013 und mit Ablauf der fünfjährigen Anschubfinanzierung durch den Freistaat Bayern Ende 2014 wurde die Straubinger Projektgruppe »Katalytische Verfahren für eine nachhaltige Rohstoff- und Energieversorgung auf der Basis nachwachsender Rohstoffe BioCat« zum Jahreswechsel in die Bund-Länder-Finanzierung der Fraunhofer-Gesellschaft übernommen. Als »Bio-, Elektro- und Chemokatalyse BioCat« setzt die Arbeitsgruppe im Institutsteil Straubing des Fraunhofer IGB nun ihre Arbeiten fort.

Dabei stehen die Entwicklung neuer chemischer Katalysatoren und Biokatalysatoren und deren Anwendung in technisch-synthetischen und elektrochemischen Verfahren im Fokus. Ausgehend von Substraten wie Biomasse, CO2 sowie Abfallströmen wird das komplette Spektrum der Katalyse genutzt, um nachhaltig und ressourcenschonend neue chemische Produkte herzustellen. Hierbei kommen die homogene und heterogene chemische Katalyse, die enzymatische und Ganzzellkatalyse und die Elektrokatalyse sowie insbesondere Kombinationen daraus zum Einsatz. Bei der Nutzung pflanzlicher Biomasse ist es das Ziel, die stoffliche Vielfalt biobasierter Moleküle sinnvoll zu nutzen und das Potenzial von chemischer Katalyse und Biokatalyse auszuschöpfen, um eine schonende Umwandlung unter Erhalt wichtiger Funktionalitäten zu erreichen. Erfolgreiche Beispiele unserer Arbeiten dafür sind die Umwandlung von Terpenen, die als Reststoffe der Holzverarbeitung gewonnenen werden, zu Biotensiden, biobasierten Epoxiden oder Monomeren für besonders schlagfeste, kältestabile Polyamide. Weitere verwertete Stoffströme sind pflanzliche Öle und Fettsäuren, Lignin und stickstoffhaltige Zucker, die beispielsweise zu funktionalisierten Carbonsäuren, leitfähigen Polymeren, Monomeren für Polyester sowie Hydrokolloiden umgewandelt werden.

Darüber hinaus überträgt BioCat die Expertise der chemischen Katalyse auf mineralische, nichtenergetische Reststoffe, um auch diese als Sekundärrohstoffquelle zu erschließen. Auch bei den anorganischen Reststoffen bildet die Vielfalt auftretender und meist komplexer Mischungen verschiedener Elemente den Zugang zu neuen Produkten, wobei BioCat hier vor allem die Herstellung neuer Katalysatoren und die Bereitstellung von Rohstoffen für die deutsche Industrie im Blick hat. Die Kombination von Chemie und Biotechnologie eröffnet BioCat auch auf diesem Thema die Möglichkeit, neue energie- und rohstoffeffiziente Prozesse zu entwickeln.

Daneben erarbeitet die Gruppe neue Verfahren, um elektrische Energie durch Bindung und Umwandlung von CO2 in chemische Energiespeicher zu nutzen. Diese Produkte bzw. die entsprechenden Verfahren werden zum einen Unternehmen zur Produktion von Bulk- und Feinchemikalien bereitgestellt. Zum anderen können sie zur Speicherung von regenerativer Energie in Kraftstoffen, beispielsweise in Form längerkettiger Kohlenwasserstoffe, dienen und somit einen Beitrag zum Gelingen der Energiewende liefern. Dabei ist angestrebt, eine bestmögliche Wertschöpfung vom Rohstoff zum biobasierten Endprodukt zu erreichen.

 

Kompetenzen

Der Institutsteil BioCat vereint Biotechnologen, Molekularbiologen und Chemiker, die neben den jeweiligen Fachkenntnissen in Biotechnologie (Enzymtechnik, Fermentation, Screening von Biokatalysatoren) und Chemie (organische Synthese, homogene und heterogene Katalyse und Elektrokatalyse) über fundierte Kenntnisse im Bereich der biogenen Rohstoffe bzw. Naturstoffe (komplexe Analytik, Arbeit mit wässrigen Systemen) und Reststoffströme verfügen. Durch Bündelung dieser verschiedenen Fachrichtungen ist es neben der fachlichen Beratung möglich, insbesondere Entwicklungsarbeiten in den Bereichen (i) neue Katalysatoren bzw. Optimierung von Katalysatoren und bestehenden Prozessen, (ii) neue Stoffe und (iii) neue Reaktionen Hand in Hand mit Auftraggebern durchzuführen. Die Entwicklungsarbeiten werden vor allem durch bestehende Analytikmethoden wie GC-MS, LC-MS, NMR und Elektroanalytik gestützt. Dank der eng verknüpften Kompetenz in chemischer Katalyse und Biokatalyse konnte BioCat schon mehrfach erfolgreich etablierte Prozesse der chemischen Industrie bewerten und für den Auftraggeber kostengünstigere bzw. ressourcenschonendere Produktionsalternativen darstellen.

Die absehbare Verknappung fossiler Rohstoffquellen sowie die im Zuge des Klimawandels angestrebte Reduktion von CO2-Emissionen stellen die Gesellschaft und Wissenschaft vor große Herausforderungen. Da auch die Ressource Biomasse für einen Wandel der chemischen Rohstoffbasis nur begrenzt zur Verfügung steht, setzen wir neben Rest- und Abfallstoffen vor allem auf CO2 als wesentliche Kohlenstoffquelle – und verbinden so die Notwendigkeit der CO2-Reduktion mit stofflicher Wertschöpfung. Die Entwicklung der hierzu notwendigen, neuen Generation von Katalysatoren und Verfahren, möchte die Arbeitsgruppe »Bio-, Elektro- und Chemokatalyse BioCat« auch vor dem Hintergrund einer »nachhaltigen Chemie«, beschleunigen und entscheidend prägen.

Hierzu arbeitet BioCat eng mit der TU München, den Abteilungen des Fraunhofer IGB und dem Institutsteil Sulzbach-Rosenberg des Fraunhofer UMSICHT zusammen. In gemeinsamen Projekten werden Themen zur Umwandlung nachwachsender Rohstoffe und Speicherung elektrischer Energie in Kohlenwasserstoffen behandelt.