NACHWACHSENDE ROHSTOFFE STOFFLICH NUTZEN

    Fossile Rohstoffe werden knapp. Gleichzeitig steigt mit einer wachsenden und zunehmend industrialisierten Bevölkerung weltweit der Bedarf an Nahrungsmitteln, Energieträgern und Konsumgütern. Während Kraftstoffe teilweise bereits aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden, basieren Kunststoffe, Lacke oder Klebstoffe noch vorwiegend auf Erdöl. Eine nachhaltigere und klimafreundlichere Alternative bietet die stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe. Um aus Pflanzen, Holz oder Mikroalgen chemische Grundstoffe herzustellen, sind zunächst neue biotechnologische und chemische Verfahren notwendig, die im Labormaßstab auch bereits erfolgreich entwickelt wurden. Die Übertragung dieser neuen Verfahren in den industriellen Maßstab ist allerdings ein erheblicher finanzieller und technologischer Kraftakt, den vor allem kleine und mittlere Unternehmen kaum leisten können.

    NEUARTIGE INFRASTRUKTURPLATTFORM
    Hier setzt das neue Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna an: Es schließt die Lücke zwischen Labor und industrieller Umsetzung, indem das Zentrum Partnern technische Infrastruktur und Anlagen zur Verfügung stellt, um die Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe zu skalieren, die Verfahren zu optimieren und marktreife Produkte zu entwickeln. Fünf verschiedene Prozessanlagen zur Entwicklung und Skalierung von biotechnologischen, chemischen und kombinierten Verfahren entstehen sukzessive als separat oder integriert zu betreibende Module.

    ZIEL: NACHHALTIGE BIORAFFINERIE
    Inhaltlich legt das Fraunhofer CBP seinen Fokus auf nachhaltige Prozesse entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Pflanzliche Biomasse soll dabei durch Koppelproduktion und Kaskadennutzung möglichst vollständig genutzt werden. Ähnlich wie in einer erdölbasierten Raffinerie werden dabei die Rohstoffe in ihre Grundbestandteile fraktioniert und der jeweils optimalen Verwendung zugeführt. Nicht weiter stofflich nutzbare Bestandteile können schließlich energetisch genutzt werden, um die Stoffwandlungsprozesse zu versorgen.

    Wichtige Kriterien hierbei sind:

    • Nutzung des Kohlenstoffsynthesepotenzials der Natur
    • Energie- und Ressourceneffizienz der entwickelten Prozesse
    • Minimierung von Abfallströmen
    • Reduktion von CO2-Emissionen
    • Nutzung von Pflanzen, die nicht zur Nahrungs- oder Futtermittelproduktion geeignet sind
    • Integration der entwickelten Prozesse in bereits bestehende Systeme, beispielsweise zur Gewinnung von Biogas aus Restbiomasse


    ROHSTOFF HOLZ – LIGNOZELLULOSE-AUFSCHLUSS

    Um Konflikte zwischen Nahrungsmittelproduktion und der Biomassenutzung auszuschließen, setzt das Fraunhofer CBP unter anderem auf heimische Holzabfälle, beispielsweise Kronenholz oder Rinde. Holz besteht hauptsächlich aus Zellulose und Hemizellulosen sowie Lignin. Bei dem am CBP weiter entwickelten und skalierten Organosolv-Verfahren wird das Holz in seine Hauptbestandteile Lignin, Hemizellulosen und Zellulose zerlegt. Hierzu werden die Holzabfälle mit Wasser und Alkohol bei hoher Temperatur und hohem Druck „gekocht". Dabei lösen sich das Lignin und die Hemizellulosen in der Flüssigkeit, während die Zellulose als Feststoff zurück bleibt. Lignin kann, nachdem es aus der Lösung gefällt, aufgereinigt und getrocknet wurde, beispielsweise als Bindemittel in Faserplatten oder für Biowerkstoffe verwendet werden. Die verbleibende Zellulose kann als Faserverstärkung, z. B. in Wood-PlasticComposites (WPC), eingesetzt oder enzymatisch in ihre Basis – Glukosemoleküle – gespalten werden. Diese wiederum dient als Rohmaterial für Biokunststoffe oder als Kohlenstoffquelle für biotechnologische Umsetzungen, bei denen Mikroorganismen verschiedene Verbindungen herstellen.

    In der europaweit einzigartigen LignozelluloseBioraffinerie-Pilotanlage am CBP werden die Laborergebnisse nun auf große Holzmengen übertragen. Pro Woche kann bis zu eine Tonne Holz am CBP verarbeitet werden. Um die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen, wird das Verfahren derzeit in Hinblick auf Energieeffizienz und Kreislaufführung der eingesetzten Lösungsmittel optimiert. In etwa vier Jahren soll das Verfahren in industriellen Produktionsanlagen zum Einsatz kommen. Die am CBP hergestellten Produktmuster dienen in verschiedenen Forschungsverbünden zur Entwicklung unterschiedlicher Werkstoffe, so werden im vom BMBF geförderten Projekt Lignosandwich ligninbasierte Phenolharzsysteme zur Herstellung von Sandwichelementen für das Bauwesen entwickelt. Diese können als isolierende, selbsttragende Fassadensysteme oder Zwischenwände eingesetzt werden. (www.lignocomposites.de)


    BIOTECHNOLOGISCHE FERMENTATIONEN BIS 10.000 LITER

    Kernstück der biotechnologischen Fermentationsmodule am CBP sind Bioreaktoren unterschiedlicher Größe, mit denen sich Produktionsschritte von 10 Litern Reaktorinhalt auf einen größeren Maßstab über 100 Liter und 1.000 Liter bis auf den industriell relevanten Maßstab von 10.000 Litern hochskalieren lassen. Eingesetzt werden die Bioreaktoren bereits für die großtechnische Herstellung von Enzymen, die als hochspezifische Katalysatoren in der industriellen Biotechnologie eine zentrale Rolle spielen, aber ebenso für technische Anwendungen, beispielsweise als Sensoren und Indikatoren, gefragt sind. Für die Herstellung von Enzymen werden Mikroorganismen wie Hefezellen oder Bakterien in einem Bioreaktor mit entsprechendem Nährmedium gezüchtet. Für die Aufarbeitung der Mikroorganismen und ihrer Produkte stehen Zellseparatoren, Homogenisatoren, Mikro- und Ultrafiltration, Kristallisation, Gefrier- und Sprühtrockner oder Chromatographiesäulen zur Verfügung. Von großem Vorteil ist, dass die gesamte Anlage je nach Aufgabenstellung flexibel einsetzbar ist, indem die verschiedenen Apparate beliebig miteinander verbunden werden können.

    EPOXIDE AUS PFLANZENÖL
    Epoxide sind reaktionsfähige organische Verbindungen, die zur Herstellung von Harzsystemen und Bindemitteln, z. B. für Fußbodenbeschichtungen oder Parkettkleber, eingesetzt werden. Bisher basieren Epoxide meist auf erdölbasierten Aus gangsstoffen. Mit einem neuen chemo-enzymatischen Verfahren, das am Fraunhofer IGB entwickelt wurde, können Epoxide auch auf Basis pflanzlicher Öle bei niedriger Temperatur und umweltfreundlicheren Bedingungen hergestellt werden. Geeignet sind unter anderem Senf-, Holunderkern-, Krambe- oder Drachenkopföl, die teilweise als Nebenprodukte in der Lebensmittelproduktion anfallen, selbst aber nicht als Lebensmittel genutzt werden. Das Fraunhofer CBP setzt diese Technologie derzeit in einem größeren Maßstab um. Auf diese Weise können pro Ansatz bis zu 70 Kilogramm Epoxide gewonnen werden. Bislang konnte diese Reaktion lediglich im Gramm-Bereich realisiert werden.


    NACHHALTIGE CHEMIE

    Auch wenn sich die petrochemischen Verfahren nie vollständig ersetzen lassen – das Potenzial von nachwachsenden Rohstoffen für die chemische Industrie ist enorm. 2009 wurden etwa 14 Millionen Tonnen Pflanzenöl für chemisch-technische Produkte verwendet, im Vergleich zu ca. 400 Millionen Tonnen Mineralöl im gleichen Jahr. Um die Abhängigkeit vom Erdöl zu reduzieren und Einsparpotentiale an CO2 -Äquivalenten auszuschöpfen, benötigt die Industrie hochmoderne Bioraffinerien. Das Fraunhofer CBP in Leuna entwickelt dafür die geeigneten Prozesse.




    Autor
    Prof. Dr. Thomas Hirth

    Thomas Hirth ist Leiter des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB und in Personalunion des Instituts für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP der Universität Stuttgart. Weiterhin ist er als wissenschaftlicher Koordinator des Spitzenclusters BioEconomy, Sprecher des Fraunhofer-Netzwerks Nachhaltigkeit, Vorsitzender des Fraunhofer-Verbunds Life Sciences und Prodekan der Fakultät 4 der Universität Stuttgart aktiv sowie Vorstandsmitglied von ProcessNet, Mitglied im Koordinierungskreis von SusChem Deutschland und Fachkollegiat der DFG. Von 2009 bis 2012 war Hirth Mitglied im BioÖkonomieRat der Bundesregierung.

    Hirth studierte Chemie an der Universität Karlsruhe, promovierte in Physikalischer Chemie und begann seine FraunhoferKarriere 1992 am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Pfinztal, wo er 1995 die Leitung der Abteilung Umwelt-Engineering übernahm. 2005 benannte ihn die Fraunhofer-Gesellschaft zum Koordinator des FraunhoferInnovationsthemas »Industrielle, weiße Biotechnologie«, 2007 kam er zum Fraunhofer IGB.


    Autor
    Gerd Unkelbach
    Gerd Unkelbach studierte Chemie an der Fachhochschule BonnRhein-Sieg. Seine Diplomarbeit führte ihn an das FraunhoferInstitut für Chemische Technologie ICT, wo er die Herstellung von molekular geprägten Polymeren untersuchte. Ab 2005 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung Umwelt-Engineering am ICT und seit 2008 leitete er hier die Arbeitsgruppe Reaktions- und Trenntechnik. 2010 wechselte er an das neue Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP und begleitete den Neubau des Pilotzentrums, den Aufbau der inhaltlichen Schwerpunkte und des Clusters BioEconomy von Anfang an. 2012 übernahm er die Leitung der Projektgruppe am Fraunhofer CBP, die heute (Dezember 2013) bereits 29
    Mitarbeiter zählt.