Verbundvorhaben: Pilotprojekt Lignocellulose-Bioraffinerie, Teilvorhaben 1: Extraktverarbeitung, Enzymtechnologie, verfahrenstechnische Untersuchungen, Ökobilanzierung, Wirtschaftlichkeitsberechnungen

Die wirtschaftliche Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen wie Erdöl, Kohle und Erdgas sowie die damit verbundenen schädlichen Einflüsse auf unser Klima haben zu einer intensiven Suche nach alternativen Rohstoffen für die Energiegewinnung und die Herstellung von Chemikalien geführt. Eine besonders vielversprechende Quelle sind hierbei Zuckerbausteine aus pflanzlicher Biomasse, da sie als Ausgangsstoffe für eine Vielzahl von Chemikalien wie beispielsweise Ethanol oder Zitronensäure genutzt werden können. In den bisher etablierten Verfahren kommen hauptsächlich Zuckerrüben und Zuckerrohr oder stärkehaltige Pflanzen (z.B. Mais) für die Produktion von Bioethanol als Energielieferant zum Einsatz. Da diese Pflanzen eine wichtige Rolle in der Nahrungsmittelversorgung spielen, stellt deren Nutzung als Rohstoff ein ethisch- moralisches Problem dar.

Mit dem Zweck eine alternative Rohstoffquelle zu verwenden, förderte die 'Fachagentur für nachwachsende Rohstoffe' (FNR e.V.) das Pilotprojekt zur Nutzung von Holz als Rohstoff für die Produktion von Plattformchemikalien. Hierbei war die Zielsetzung ein nachhaltiges, integriertes Verfahren zum Aufschluss mit Komponententrennung von lignocellulosehaltiges Buchen- und Pappelholz zu entwickeln, bei dem alle Bestandteile des Ausgangsmaterials zur Produktion von Basis- und Feinchemikalien genutzt werden können.

Holz besteht hauptsächlich aus drei verschiedenen Polymeren, welche gemeinsam als Lignocellulose bezeichnet werden und die Gerüstsubstanz von Pflanzen darstellen. Im Einzelnen handelt es sich dabei um Cellulose (bestehend aus Glucosemonomeren), Hemicellulose (hauptsächlich aus Xylose aufgebaut) und Lignin (Polymer phenolischer Verbindungen). Diese Bestandteile wurden von einem Projektpartner für eine bessere Weiterverarbeitung aufgeschlossen und fraktioniert.

Das Lehrgebiet Bioverfahrenstechnik beschäftigte sich einerseits mit der enzymatischen Hydrolyse der Cellulose- und Hemicellulosefraktionen mit kommerziell erhältlichen Cellulasen und Xylanasen in ihre Grundbestandteile Glucose und Xylose und mit deren weitere Umsetzung mittels Fermentation in wertvollen Produkte, wie beispielsweise Ethanol, Itaconsäure.

Eine Optimierung der enzymatischen Hydrolyse ohne Zusatz von Puffersubstanzen wurde durchgeführt und ca. 80 % der im Faserstoff enthaltenen Cellulose konnte umgesetzt werden. Eine Fed-Batch Hydrolyse hatte sich als beste Betriebsweise gezeigt, um hohe Glucosekonzentrationen zu erreichen.

Die Nutzung der Holzhydrolysaten zur Produktion von Ethanol mittels der Co-Fermentation von den Hefen S. cerevisiae und P. tannophilus konnte bei verschiedenen Betriebsweisen realisiert werden. Dabei konnten Ausbeuten von 60 - 80 % der theoretisch möglichen Ausbeute erzielt werden. Außerdem wurden die Hydrolysate für die Produktion von Biomasse eingesetzt. Dabei wurden Industriehefen kultiviert und dadurch konnten hohen Biomasseausbeuten erreicht werden.

Des Weiteren wurden Versuche zur simultanen Verzuckerung und Fermentation (SSF) durchgeführt. Diese zeigten, dass weder die suboptimale Temperatur während dieser Betriebsweise, noch das dabei produzierte Ethanol einen negativen Einfluss auf die Umsetzung hatten. Außerdem konnte um ca. die doppelte Ethanolkonzentration vergleichsweise zu den 2 stufigen Prozess (getrennter Hydrolyse und Fermentation) erreicht werden. 

Veröffentlichungen und Tagungsbeiträge

  • D. Sell, R. Ulber (Eds.); White Biotechnology; Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology; Vol. 105 (2007) Springer Verlag Berlin Heidelberg
  • K. Muffler, R. Ulber, Use of renewable raw materials for the chemical industry – beyond sugar and starch; Chem. Eng. Tech 31 (2008) 638-646
  • K. Muffler, N. Tippkötter, R. Ulber, Chemical Feedstocks and Fine Chemicals from Other Substrates, in: K. N. Timmis (Ed.); Handbook of Hydrocarbon Microbiology – Microbial Interactions with Hydrocarbons Oils, Fats, and related Hydrophobic Substrates and Products, Springer Verlag (2010) 2892-2902
  • S.Poth, M.Monzon, N.Tippkötter, R.Ulber, Prozessintegration von Hydrolyse und Fermentation von Cellulose-Faserstoff, Chem.-Ing.-Tech. 82 (2010) 135-139 
  • S.Poth, M.Monzon, A.Dernbecher, N.Tippkötter, R.Ulber, Ethanol from beech wood lignocelluloses. 4th International Conference on Renewable Resources and Biorefineries 2008
  • M.Monzon, S.Poth, N.Tippkötter, R.Ulber, Cofermentation as efficient tool for the production of ethanol from pentoses and hexoses. European BioPerspectives 2008
  • S.Poth, A.Dernbecher, M.Monzon, N.Tippkötter, R.Ulber, Enzymatic degradation of cellulosic and hemicellulosic materials. European BioPerspectives 2008
  • S.Poth, M.Monzon, N.Tippkötter, R.Ulber, Enzymatic degradation of pre-treated wood. 2nd workshop on fats and oils as renewable feedstock for the chemical industry 2009
  • S.Poth, M.Monzon, N.Tippkötter, R.Ulber, Enzymatische Hydrolyse von vorbehandelter Lignocellulose. Biokatalyse: Neue Verfahren, neue Produkte 2009
  • T.Sieker,S.Poth, M.Monzon, N.Tippkötter, R.Ulber, Process integration of enzymatic hydrolysis and fermentation of pre-treated cellulosic fibre-fractions. 5th International Conference on Renewable Resources and Biorefineries 2009
  • S.Poth, M.Monzon, N.Tippkötter, R.Ulber, Fermentation von Hydrolysaten aus der enzymatischen Behandlung von Cellulose-Faserstoff. Jahrestagung der Biotechnologen 2009
  • S.Poth, M.Monzon, N.Tippkötter, R.Ulber, Optimierung und Prozessintengration der enzymatischen Hydrolyse von Cellulose-Faserstoff. Jahrestagung ProcessNet 2009