BioConSepT – Von der Pflanze zum Kunststoff

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Fermentation von Candida im 42-Liter-Bioreaktor

Biobasierte Polymere aus nachwachsenden Rohstoffen zweiter Generation

Die Rohstoffe für die industrielle Biotechnologie stammen in erster Linie aus landwirtschaftlichen Produkten – Glukose aus zuckerhaltigen Pflanzen wie Zuckerrüben oder stärkehaltigen Pflanzen wie Getreide, Pflanzenöle aus Saaten. Diese biobasierten Rohstoffe der sogenannten ersten Generation stehen jedoch in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion und ihr Einsatz für die Produktion von Biokraftstoffen oder biobasierten Chemikalien ist umstritten. Ein Konzept, das bereits in einer Bioraffinerie umgesetzt wird, ist die vollständige energetische und stoffliche Nutzung von biobasierten Rohstoffen der sogenannten zweiten Generation. Hierzu gehören Lignozellulose aus Holzabfällen oder Pflanzenöle, die nicht in der Lebensmittelindustrie Verwendung finden.

Mit dem EU-geförderten Projekt BioConSepT, an dem neben dem Fraunhofer IGB 30 weitere europäische Partner aus Forschung und Industrie beteiligt sind, wird die Verwertung von Rohstoffen zweiter Generation zur Herstellung von biobasierten Polymeren untersucht. Ziel des Projekts ist es, Prozesse zu liefern, die Rohstoffe der zweiten Generation in werthaltige Chemikalien konvertieren. Diese sind dabei bis zu 30 Prozent günstiger und nachhaltiger als entsprechende chemische oder biotechnologische Verfahren, die mit Rohstoffen der ersten Generation arbeiten.

Die Partner haben Verfahren zur Herstellung von Chemikalien aus Rohstoffen der zweiten Generation ausgewählt, in denen enzymatische, mikrobielle sowie chemische Reaktionen eingesetzt und miteinander kombiniert werden. Als Zielmoleküle wurden in einem ersten Auswahlprozess 2,5-Furandicarbonsäure, Itaconsäure, Bernsteinsäure, langkettige Dicarbonsäuren, Diamine, Diamide und Epoxide identifiziert. Zudem wird die Herstellung von Biotensiden und Glycerolcarbonat betrachtet. Durchbrüche bei der Kostenreduktion und Nachhaltigkeit der ausgewählten Prozesse sollen durch die Einführung kontinuierlicher Prozesse, neuer Reaktoren und selektiver Trenntechnologien erzielt werden. Ein weiteres Ziel des Projekts ist die Bereitstellung von Mustermengen für die Markterprobung von biobasierten Polymeren, Harzen, Weichmachern, Biotensiden und Lösungsmitteln.

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Candida-Zellen und Bildung von Dicarbonsäure (DCA) aus Ölsäuremethylester (OME)

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Candida-Zellen und Bildung von Dicarbonsäure (DCA) aus Ölsäuremethylester (OME)

Dicarbonsäuren aus Pflanzenölen

Langkettige Dicarbonsäuren sind chemisch aufwendig und teuer zu synthetisieren, stellen jedoch ein interessantes Zwischenprodukt für die Synthese von Kunststoffen wie Polyestern dar. Hefen der Gattung Candida oder Pichia sind in der Lage, Fettsäuren zu den entsprechenden Dicarbonsäuren zu oxidieren. Das Fraunhofer IGB konnte bereits ein Verfahren für die Herstellung von Dicarbonsäuren mit der Hefe Candida cenakerosene etablieren. Bis zu 100 g/l 1,18-Octadecendicarbonsäure konnte in einem optimierten Prozess aus Ölsäure fermentativ erzeugt werden [1]. Im Zuge des BioConSepT-Projekts wird am Fraunhofer IGB die Bildung von Dicarbonsäuren aus weiteren Fettsäuren von Pflanzenölen untersucht. Neben der Prozessentwicklung werden derzeit neue Hefestämme zur Dicarbonsäureherstellung untersucht und robuste Produktionsstämme erzeugt, die eine möglichst hohe Dicarbonsäureausbeute ermöglichen.

Epoxide aus Pflanzenölen

Bei der Epoxidierung ungesättigter Fettsäuren und Triglyzeride entstehen Produkte mit gesteigerter Polarität und Reaktivität. Diese Epoxide können als PVC-Stabilisatoren, Weichmacher oder in biobasierten Polymeren eingesetzt werden. Als Stabilisatoren oder Weichmacher in verschiedenen Kunststoffen wie beispielsweise Polyvinylchlorid (PVC) oder Polymilchsäure (PLA) kommt meistens epoxidiertes Sojaöl (ESBO) zum Einsatz [2, 3]. Außerdem wurde in der Kunststoffindustrie die Verwendung von Pflanzenölepoxiden für die photoinitiierte kationische Polymerisation in Dünnschichtanwendungen beschrieben [4]. Innerhalb von BioConSepT wird am Fraunhofer IGB ein Prozess zur enzymatischen Herstellung von Epoxiden mit einem immobilisierten Enzym zur Umsetzung von Pflanzenölen der zweiten Generation, unter anderem Pflanzenölen aus Abfallströmen, eingesetzt.

Die Lücke zwischen Labor und industrieller Praxis schließen

Im Jahr 2014 wird BioConSepT die zwei erfolgversprechendsten Herstellungsprozesse auswählen, um Produktmengen in der Größenordnung von 100 kg bis 1000 kg bereitzustellen. Die Umsetzung der ausgewählten Prozesse vom Labor in den industriellen Maßstab wird in der Multifunktionsanlage des Fraunhofer CBP in Leuna erfolgen. Somit soll BioConSepT helfen, die Lücke zwischen Labor und industrieller Praxis für die Produktion von Chemikalien aus vorhandener Biomasse weiter zu verringern.

BioConSepT – From woodchips to lipsticks: biochemicals for you, for me, for everybody!

 

Projektinformationen

Projekttitel

BioConSepT – Bio-conversion and Separation Technology

 

Projektlaufzeit

Januar 2012 – Dezember 2015

 

Projektpartner

Forschungsinstitute

  • TNO - Netherlands Organization for Applied Scientific Research, Niederlande (Projektkoordination)
  • VITO - Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek NV, Belgien
  • Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., Deutschland
  • VTT - Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus, Finnland
  • LEITAT Technological Center, Spanien

Industriepartner

  • Archer Daniels Midland Europe BV, Niederlande
  • Evonik Industries AG, Deutschland
  • Novamont S.p.A., Italien
  • Pöyry Management Consulting Oy, Finnland
  • Proviron Holding BV, Belgien
  • Rhodia, Frankreich
  • Süd-Chemie AG, Deutschland
  • Taminco NV, Belgien
  • Fluor, Niederlande
  • KMUs aus Deutschland, Niederlande, Spanien, Österreich, Israel, Slowenien, Tschechien, Großbritannien

Förderung

Wir danken der Europäischen Union für die Förderung des Projekts »BioConSepT« im 7. Forschungsrahmenprogramm (FP7/2007-2013), Förderkennzeichen 289194.

Literatur

[1] Zibek, S.; Huf, S.; Wagner, W.; Hirth, T.; Rupp, S. (2009) Fermentative Herstellung der α,ω-Dicarbonsäure 1,18-Oktadecendisäure als Grundbaustein für biobasierte Kunststoffe, Chemie Ingenieur Technik 81(11): 1797-1808
[2] Benaniba, M.T.; Belhaneche-Bensemra, N.; Gelbard, G. (2003) Stabilization of PVC by epoxidized sunflower oil in the presence of zinc and calcium stearates, Polymer Degradation and Stability 82(2): 245-249
[3] Al-Mulla, E.A. et al. (2010) Properties of epoxidized palm oil plasticized polytlactic acid, Journal of Materials Science 45(7): 1942-1946
[4] Crivello, J.V.; Narayan, R. (1992) Epoxidized triglycerides as renewable monomers in photoinitiated cationic polymerization, Chemistry of Materials 4(3): 692-699