Vom Rohstoff zum Produkt: Unser Angebot zur Herstellung biobasierter Chemikalien und Materialien

Biomasse stellt eine alternative und erneuerbare Rohstoffbasis für die Erzeugung chemischer Produkte dar. 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.

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.

Nachwachsende Rohstoffe

Pflanzen bilden photosynthetisch ein riesiges, bisher nur unvollständig genutztes Spektrum unterschiedlichster chemischer Verbindungen. Ausgangsmaterialien für die industrielle Biotechnologie sind in erster Linie landwirtschaftliche Produkte wie Getreide, Hülsenfrüchte oder Ölpflanzen. Diese biogenen Rohstoffe sind in Zusammensetzung und Rohstoffgehalt nicht völlig konstant, sondern variieren leicht – je nach Sorte und Kultivierungsbedingungen.

Der Gehalt an speziellen Metaboliten für »Building Blocks« oder als Substrat für die Biokonversion ist sowohl von der Pflanzenart als auch vom Umfang der züchterischen Bearbeitung abhängig. Wertgebende Pflanzenstoffe für die industrielle Biotechnologie sind vor allem Öle und Fette sowie Polysaccharide, aber auch Polyosen sowie verschiedenste sekundäre Pflanzenstoffe, beispielsweise Phenolsäuren, Flavonoide, Glucosinolate, Isoflavone, Lignane oder Pigmente.

Verschiedene Rohstoffquellen zur Gewinnung biobasierter Chemikalien wurden bereits intensiv betrachtet, beispielsweise Lignocellulosen, Kohlenhydrate, Fette und Öle sowie Mikroalgen. Biogas, Synthesegas und CO₂ spielen zudem eine zunehmende Rolle.

Aufbereitung

Um die Rohstoffbestandteile den Mikroorganismen bzw. Enzymen zugänglich zu machen, sind – je nach Art des Ausgangsstoffes – mehrere Aufbereitungsstufen zu durchlaufen. Dabei handelt sich um mechanische, thermische oder chemische Prozesse, die auf die nachfolgende Biokonversion abgestimmt werden müssen.

Organische/biogene Reststoffe

Auch Reststoffe, wie sie in der Landwirtschaft oder bei der Lebensmittelherstellung anfallen, enthalten häufig noch nutzbare Metabolite. Ein Hauptaugenmerk am IGB liegt auf der Intensivierung der Nutzung von Rest- und Abfallströmen. Mit integrierten Bioprozessen, bei denen spezielle Mikroorganismen oder Biokatalysatoren einzelne, wertgebende Inhaltsstoffe gezielt und spezifisch umwandeln, lässt sich die Abfallbeseitigung mit der Wertstoffgewinnung verbinden. Ein Beispiel ist Sauermolke, einem Reststoff bei der Milchverarbeitung, die noch reichlich Lactose enthält. Diese kann durch eine Kombination aus Fermentation und verschiedenen Membranverfahren wie Filtration und Elektrodialyse in Milchsäure umgewandelt und als Produkt gewonnen werden. Milchsäure kann als Basischemikalie in der chemischen Industrie eingesetzt oder direkt durch Polymerisation zu Polylactid, einem bioabbaubaren Kunststoff, weiter veredelt werden.

Ein weiteres, in großer Menge vorkommendes Abfallprodukt sind Krabbenschalen aus der Aquakultur oder Insektenexuvien aus der Proteinherstellung von Futtermitteln. Diese enthalten Chitin, das nach Cellulose am häufigsten vorkommende Biopolymer. Das Fraunhofer IGB hat im Rahmen verschiedener Projekte Mikroorganismen und Enzyme identifiziert, um Chitin als Rohstoffquelle zunächst aufzureinigen und für die Konversion zu Chitosan oder Chitin-Oligomeren sowie dem Monomer zu erschließen. Darüber hinaus können funktionelle Gruppen eingeführt werden, um so neue Eigenschaften, z. B. für eine funktionelle Ausrüstung für Textilien zu ermöglichen.

Ein besonderes Augenmerk verdienen lignocellulosische Rohstoffe – Holz oder Stroh als Reststoffe aus der Land- und Forstwirtschaft. Diese werden derzeit noch vorwiegend zur Erzeugung von Energie (Verbrennung) oder Zellstoff eingesetzt, da der Stoffverbund aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin ohne eine geeignete Vorbehandlung weder für eine biotechnologische noch für eine chemische Umsetzung eingesetzt werden kann. Durch speziell entwickelte mechanisch-chemische Aufschlussprozesse lassen sich auch lignocellulosische Rohstoffe wie Holz oder Stroh effektiv stofflich nutzen. In nationalen Verbundvorhaben wie der Lignocellulose-Bioraffinerie hat das Fraunhofer CBP den am Fraunhofer ICT entwickelten Organosolv-Aufschluss für diese Fraktionierung weiterentwickelt und erfolgreich im Technikummaßstab umgesetzt. Parallel hat das Fraunhofer IGB einen biotechnologischen Ansatz zur enzymatischen Erschließung der Zucker aus vorbehandelter Lignocellulose aus Holzabfällen oder Stroh optimiert und aufskaliert. Zudem wurden neue Enzyme zur Funktionalisierung von Ligninbausteinen charakterisiert.

Die industrielle oder weiße Biotechnologie liefert die Methoden, um Chemikalien und chemische Grundstoffe mit biotechnologischen oder kombinierten Verfahren herzustellen. Biotechnologische Verfahren stellen aufgrund hochspezifischer Katalysatoren eine Alternative dar, wenn chemische Methoden nicht einfach einsetzbar sind. Mikrobielle Verfahren bewähren sich vor allem dann, wenn komplexe Stoffwechselwege verwendet werden können, um effizient Zucker in Feinchemikalien umzusetzen. Somit ist eine energie- oder stoffeffiziente – und damit gleichermaßen umweltverträgliche und wirtschaftliche – Konversion  möglich. Beispiele sind die Herstellung hochkomplexer Verbindungen wie Vitamine und Biotenside oder Aminosäuren mithilfe von Mikroorganismen.

Unsere Arbeiten zielen auf die Entwicklung und Optimierung biotechnologischer (fermentativer oder biokatalytischer) Prozesse zur Herstellung von Chemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen oder biogenen Reststoffen. Viele mikrobielle Verfahren können auch mit verunreinigten Rohstoffen, etwa Zuckern aus Lignocellulose-Aufschlussverfahren, betrieben werden. Neben milden Reaktionsbedingungen und hoher Spezifität bieten biotechnologische Verfahren auch den Vorteil, dass die Produktvielfalt aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher Mikroorganismen nahezu unerschöpflich ist.

Um das gesamte Potenzial der stofflichen Vielfalt pflanzlicher Biomasse ausschöpfen zu können, werden biotechnologische gegebenenfalls mit geeigneten chemischen Verfahren kombiniert. 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.

Unser Leistungsspektrum umfasst neben dem  Screening nach industriell nutzbaren Enzymen und Mikroorganismen (Bakterien, Pilze) auch neue Chemokatalysatoren sowie die Entwicklung von Produktionsverfahren für Fein- und Basischemikalien inkl. dem 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.

Die Stofftrennung ist in vielen Bereichen der Chemie und Prozessindustrie ein zentraler Verfahrensschritt. 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.

Für das Upstream Processing von Rohstoffen wie für das Downstream Processing von Fermentations- und Syntheseprodukten erarbeitet das Fraunhofer IGB schonende und wirtschaftliche Verfahren, plant entsprechende Anlagen und implementiert die Prozesse zur effektiven Produktabtrennung und -aufreinigung.

Im Fokus stehen Membran- oder elektrophysikalische Technologien, die vielstufige Aufarbeitungsprozesse vereinfachen und falls erforderlich mit herkömmlichen Trennverfahren wie Zentrifugation, Extraktion oder chromatographischen Verfahren kombiniert werden.

Aus verschiedenen Rohstoffen untersuchen wir die Herstellung von Drop-in- und Plattformchemikalien als wichtige Intermediate ebenso wie von Feinchemikalien und Spezialitäten.

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, Furandicarbonsäure), 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 Triglycerid- und Fettsäureepoxiden. Bei langkettigen alpha-omega-Dicarbonsäuren aus Ölen wurde der Prozess so optimiert, dass die anschließende Aufreinigung möglichst einfach ist.

Weitere Beispiele biobasierter Chemikalien, die am IGB bereits untersucht wurden, sind Aromaten, Lignine, Phenole und Furane sowie Extraktstoffe und deren Derivate (Terpene, Phytosterole und Campher) und gasförmige und flüssige Kohlenwasserstoffe wie Methan, Olefine und langkettige Alkane.

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.

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 Insektenexuvien, terpenhaltige Reststoffe) 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.

Auf allen Stufen der Wertschöpfung

Unsere besondere Kompetenz besteht darin, dass wir Prozesse entlang aller wertschöpfenden Prozessschritte entwickeln und optimieren – von der Aufbereitung der Rohstoffe, über die Konversion bis zur Aufarbeitung der Produkte. Bereits bei der Entwicklung oder Optimierung von Katalyse- oder Fermentationsverfahren bereiten wir die entwickelten Verfahren – beispielsweise durch dimensionsanalytische Betrachtungen – für die Maßstabsübertragung vor.

Die Infrastruktur und Ausstattung am Fraunhofer CBP erlaubt es uns schließlich, das Scale-up bis zu einem Maßstab von 10 m³ Fermentationskapazitäten experimentell zu verifizieren, zu validieren und hinsichtlich einer industriellen Umsetzung zu optimieren. Für anwendungstechnische Untersuchungen stellen wir Mustermengen im Kilogramm- und Tonnen-Maßstab zur Verfügung.  

Die Techno-ökonomische Bewertung der Prozesse spielt für die Implementierung in Bioraffinerie-Konzepte eine entscheidende Rolle. Gemeinsam mit Partnern führen wir Bewertungen durch, die als Grundlage für eine weiterführende Prozess- und Anlagenauslegung im Demonstrations- oder Industriemaßstab dienen. Life-Cycle-Analysen begleiten wir.