Rohstoffe aus Pflanzen- statt aus Erdöl – für die chemische Industrie gewinnen nachwachsende Ressourcen zunehmend an Bedeutung, schließlich machen sie unabhängig vom immer knapper werdenden fossilen Grundstoff.

Im Verbundprojekt »Integrierte Bioproduktion«, das bis Ende 2014 durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft gefördert wurde, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB effiziente biotechnologische Verfahren entwickelt und optimiert, um Epoxide mithilfe von Enzymen aus Pflanzenölen herzustellen.

Das Fraunhofer IGB und das Fraunhofer Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna spielen dabei in bewährter Weise zusammen. In Stuttgart schaffen die Wissenschaftler die Grundlagen und entwickeln die Verfahren bis in den technischen Maßstab. Das Fraunhofer CBP schließt letztendlich die Lücke zwischen Labor und industrieller Umsetzung. Hier wird das Konversionsverfahren skaliert und im industriellen Maßstab bis zur Marktreife gebracht.

Nachhaltig produzierte Epoxide auf Pflanzenöl-Basis

Epoxide sind organische Verbindungen und bilden in der chemischen Industrie die Grundlage zahlreicher Produkte, beispielsweise von Schmierölen für Fahrzeuge und Motoren oder von Tensiden und Emulgatoren für Wasch- und Reinigungsmittel. Eine nachhaltige Alternative für die herkömmliche, auf Erdöl basierende Herstellung ist die Produktion auf Basis von Pflanzenölen, die als Nebenprodukte in der Lebensmittelindustrie anfallen. Beispiele für geeignete Ausgangsstoffe sind etwa Senf-, Soja- oder Drachenkopföl. Das Fraunhofer IGB rückt hierbei vor allem die Öle hierzulande anbaubarer Pflanzen in den Fokus der Forschung, die mittels chemisch-enzymatischer Verfahren zur Epoxidproduktion genutzt werden können.

Die Epoxid-Gewinnung aus Pflanzenölen kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Eine Methode ist die Herstellung auf rein chemischem Weg. Die Grundlage für dieses Verfahren bildet die »Prileshajew-Reaktion«. Dabei werden olefinische Doppelbindungen der ungesättigten Fettsäuren durch Persäure zum Epoxid oxidiert. Die Persäure entsteht in diesem Prozess durch die Reaktion von Wasserstoffperoxid mit Essig- oder Ameisensäure. Als Katalysatoren fungieren dabei starke Mineralsäuren oder Ionenaustauschharze.

Am Fraunhofer IGB wurde nun ein alternatives chemo-enzymatisches Verfahren weiterentwickelt. Das Enzym Lipase katalysiert hierbei die Persäurebildung aus Fettsäure und Wasserstoffperoxid. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es unter milderen Prozessbedingungen möglich und effizienter ist. Zudem kommt es bei der enzymbasierten Methode nicht zu unerwünschten Ringöffnungsreaktionen, wie es beim rein chemischen Verfahren der Fall ist.

2015 soll der entscheidende Schritt zur industriellen Umsetzung gelingen

Das Verfahren konnte erfolgreich im technischen Maßstab in einem 10-Liter-Bioreaktor realisiert werden. Nun steht für 2015 die Skalierung auf einen industriellen Maßstab von 100 Litern auf der Agenda. Dieser nächste Schritt wird im Jahr 2015 gemeinsam mit dem Fraunhofer CBP in Angriff genommen. Dort verfügen die Fraunhofer-Wissenschaftler über die benötigten Anlagen zur enzymatischen Epoxidierung von einheimischen Pflanzenölen in der angestrebten Größenordnung. Bei der Weiterentwicklung des Fermentationsverfahrens untersucht das Forscherteam auch weitere Anwendungsmöglichkeiten für die hergestellten Epoxide, etwa für Klebstoffe.

Bei der Internationalen Grünen Woche 2015 präsentieren sich das Fraunhofer IGB und das Fraunhofer CBP auf dem Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft in Halle 5.2, Stand 108.