KomBiChemPro – Fein- und Plattformchemikalien aus Holz durch kombinierte chemisch-biotechnologische Prozesse

Im Rahmen des Vorhabens KomBiChemPro sollen Ergebnisse verschiedener anwendungsorientierter Entwicklungsarbeiten zur stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe, speziell aus Lignozellulosen, zusammengeführt, mit neuen Ansätzen aus der Forschung kombiniert und in einem integrierten Konzept demonstriert werden. Damit soll ein Durchbruch bei der Umsetzung dieser Technologien erzielt werden. Wichtigster Aspekt dabei ist die Herstellung von nachgefragten, marktfähigen Produkten durch robuste, effiziente und integrierte Prozessführung, damit eine breite Anwendbarkeit und Konkurrenzfähigkeit gegenüber petrochemisch hergestellten Plattformchemikalien gewährleistet ist. Im Projekt KomBiChemPro wird die gesamte Prozesskette der stofflichen Verwetung von Lignocellulose bertrachtet. Alle einzelnen Ergebnisse aus dem Labor und Technikum werden in die Pilotanlage des Fraunhofer CBP übertragen und dort wird die gesamte Prozesskette abgebildet. So wird die Verwetung der Zellulose-, Hemizellulose- und Lignin-Fraktion ganzheitlich betrachtet.

Fermenter im Labor- und Technikumsmaßstab am Fraunhofer IGB, die für die Fermentationsentwicklung und den Scale up innerhalb des Projektes KomBiChemPro verwendet werden

© Fraunhofer IGB

Fermentation von Candida im 42-Liter-Bioreaktor

Struktur und Arbeitsinhalte des Verbundvorhabends KomBiChemPro

Die Gruppe Industrielle Biotechnologie des Fraunhofer IGB wird die Fermentationsentwicklung zur Produktion von Xylonsäure und Äpfelsäure aus den C5-Zuckern der Hemicellulose-Fraktion durchführen. Die Experimente  im Labor- und Technikums-Maßstab und die Berechnungen für das Scale-up werden für die Fermentation von Äpfelsäure und Xylonsäure von der Arbeitsgruppe Industrielle Biotechnologie (WBT) in Stuttgart durchgeführt. Mit den erstellten Protokollen führen die Kollegen in Leuna dann die Fermentation im 10-m³-Maßstab durch.

Äpfelsäure

Für die Äpfelsäure besteht ein stetig wachsender Markt, da diese in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie eingesetzt wird. Hier dient die Äpfelsäure als Lieferant für den sauren Geschmack in Produkten wie z.B. Marmeladen und Säften oder sie wird für die Verbesserung der Haltbarkeit in Backwaren eingesetzt. Aber auch das Potential als Baustein in der Chemieindustrie ist für die Äpfelsäure erheblich. Zusammen mit Bernstein- und Fumarsäure gehört sie zu der Gruppe der C4-Dicarbonsäuren. C4-Säuren können in 1,4-Butandiol (BDO) umgewandelt werden – eine wichtige Vorstufe zur weiteren Konversion in eine Vielzahl von Chemikalien, darunter Kunststoffe, Polymere und Harze zur Verwendung in z. B. Golfbällen bis hin zu Druckfarben und Reinigungsmitteln. Die biotechnologische Herstellung der Äpfelsäure wird von der Arbeitsgruppe Industrielle Biotechnologie am Fraunhofer IGB mit Aspergillus-Stämmen, welche den G.R.A.S. Status haben, etabliert.

Xylonsäure

Gluconsäure begegnet uns im täglichen Leben als Zusatzstoff von Lebensmitteln oder als Additiv in chemischen Produkten. Die Produktion basiert auf Glukose, deren Gewinnung kompetitiv zur Nahrungsmittelherstellung ist. Eine »Non-Food«-Alternative zur Gluconsäure stellt die Xylonsäure dar: Diese kann aus lignocellulosehaltigen Pflanzen gewonnen werden und zeigt vergleichbare Eigenschaften. Ziel des Fraunhofer IGB war die Entwicklung eines effizienten Prozesses zur Gewinnung von Xylonsäure aus Xylose. Die fermentative Umsetzung der Xylose wird mittels Gluconobacter sp. und Luftsauerstoff durchgeführt. Die Optimierung des fermentativen Prozesses führte zu einer finalen Xylonsäurekonzentration von über 250 g/L bei einer Ausbeute von über 90 Prozent. Im nachfolgenden Aufreinigungsprozess wurde Xylonsäure mit einem Reinheitsgrad > 80 Prozent, was für technische Anwendungen genügend ist, gewonnen. Mit einer erfolgreichen 100-Liter-Fermentation wurde die Skalierbarkeit des Prozesses am Fraunhofer CBP bereits demonstriert, ein Scale-up auf 300 Liter folgt. Kleinere Mengen an Xylonsäure können wir bereits jetzt für anwendungsspezifische Untersuchungen anbieten. So kann die Xylonsäure z. B. zur Substitution von Gluconsäure als Abbindeverzögerer oder als Chelatierungsmittel getestet werden.

Fermentationsentwicklung

Die Gruppe Industrielle Biotechnologie des Fraunhofer IGB wird sich innerhalb des Projektes KomBiChemPro mit der Fermentationsentwicklung im Labor- und Technikumsmaßstab beschäftigen und im Anschluss das Scale-up in den 10-m³-Maßstab durchführen. Bei der Maßstabsübertragung sollten möglichst geometrische Ähnlichkeit zwischen den verschiedenen Größenausführungen und stoffliche Ähnlichkeit bei den betrachteten Stoffsystem gewährleistet werden. Darüber hinaus sind die Prozessbedingungen mithilfe zumeist dimensionsloser maßstabsinvarianter Kennzahlen, z. B. kLa-Werte und die Rührerumfangsgeschwindigkeit, auf den größeren Maßstab zu übertragen. Diese Bedingungen werden am Fraunhofer IGB bei der Entwicklung des neuen Prozesses berücksichtigt und können in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer CBP im technischen Maßstab validiert werden.

Projektinformationen

Projekttitel

KombichemPro – Fein- und Plattform-Chemikalien aus Holz durch kombinierte chemisch-biotechnologische Prozesse

 

Projektlaufzeit

November 2015 – Mai 2018

 

Kooperationspartner

  • Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH DBFZ
  • Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP (Koordinator)
  • Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart

Unteraufträge

  • Thünen-Institut für Holzforschung
  • Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme
  • Universität Stuttgart, Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmaphysik IGVP

Förderung

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förderung des Projekts »KomBiChemPro Fein- und Plattformchemikalien aus Holz durch kombinierte chemisch-biotechnologische Prozesse«, Förderkennzeichen 031B0083A.