Lignocellulose-Bioraffinerie – Aufschluss lignocellulosehaltiger Rohstoffe und vollständige stoffliche Nutzung der Komponenten

Im Fokus des Verbundvorhabens "Lignocellulose Bioraffinerie" steht die Nutzung hölzerner Biomasse zur Bereitstellung von Plattformchemikalien für die Nutzung in der chemischen Industrie. Eine auf Lignocellulose basierende Bioraffinerie benötigt Anlagenkonzepte, die Holz durch Aufschluss und Fraktionierung zu Grundstoffen und dann zur Weiterverarbeitung in chemischen und biotechnologischen Prozessen bereitstellen. Gesamtziel dieses anwendungsorientierten Vorhabens ist es einen Prozess zur vollständigen stofflichen Nutzung aller Komponenten der Lignocellulose durch Gewinnung von biobasierten Produkten auf Cellulose-, Hemicellulose- und Ligninbasis zu entwickeln und zu etablieren.

Das Projekt baut dabei auf den Erkenntnissen auf, die im Verbundvorhaben Pilotprojekt "Lignocellulose Bioraffinerie" (Phase 1) gewonnen werden konnten. In dessen Rahmen wurde ein wirtschaftlich tragfähiges Anlagenkonzept zum Aufschluss von Buchen- und Pappelholz und zur Fraktionierung der Koppelprodukte entwickelt. Das hier vorgestellte Projekt (Phase 2) verfolgt zwei Hauptziele:

  1. Entwicklung, Bau, Inbetriebnahme und Optimierung einer Pilotanlage mit einer Verarbeitungskapazität von ca. 620 kg Holzatro wöchentlich beruht.
  2. Bereitstellung der Fraktionen (C5-, C6-Zucker und Lignin) und Weiterverarbeitung zu höherwertigen Produkten.

Es ist vorgesehen, die Pilotanlage aus infrastrukturellen Gründen am Industriestandort Leuna zu betreiben. Zudem bietet sich die Möglichkeit Synergieeffekte zu nutzen, welche sich durch dort geplante Aktivitäten im Bereich der industriellen Biotechnologie eröffnen. Die Pilotanlage dient der Verfahrensoptimierung unter maßstabsgerechten Bedingungen, sowie der Bereitstellung größerer Mengen der verschiednen Fraktionen für Scale-up und Optimierung der Weiterverarbeitung. Anhand ausgewählter physikalischer, chemischer und biotechnologischer Prozesse sollen die gewonnenen Fraktionen auf ihre Eignung zur Herstellung von Plattformchemikalien und Polymeren untersucht werden. Hierbei konnten für die Umsetzung der Ligninfraktion neue Partner aus der Industrie gewonnen werden.

Die am Lehrgebiet Bioverfahrenstechnik durchgeführten Arbeiten beschäftigen sich mit dem Scale-up und der Optimierung der Hydrolyse der Faserstoff-Fraktion, der sich daran anschließenden Fermentation zu Lösungsmitteln und Carbonsäuren, sowie der enzymatischen Umsetzung der Lignin-Fraktion. Dabei werden für die Verzuckerung unterschiedliche Verfahrenvarianten bis in den 100 L Maßstab untersucht und charakterisiert. Unter anderem soll der Einsatz eines Feststoff-Bioreaktors getestet werden. Die erhaltenen Hydrolysate sollen für sich anschließende Fermentationen zu ABE, Bernstein- und Itaconsäure genutzt werden. Dabei sollen ebenfalls unterschiedliche Prozessvarianten getestet werden, wie beispielsweise die simultane Verzuckerung und Fermentation (SSF), welche sich in Phase 1 als vielversprechendes Verfahren herausgestellt hat. Des Weiteren wird untersucht, in wie weit sich das Lignin mittels biotechnologischer Methoden zu seinen Grundbausteinen gespalten werden kann, bzw. ob durch eine solche Behandlung die Nutzbarkeit verbessert werden kann. 

Veröffentlichungen und Tagungsbeiträge

  • R. Ulber, D. Sell, T. Hirth (Eds.); Renewable Raw Materials – New Feedstocks for the Chemical Industry; Wiley-VCH (2011)
  • R. Ulber, K. Muffler, N. Tippkötter, D. Sell, T. Hirth (Eds.); Introduction to Renewable Resources in the Chemical Industry; in: Renewable Raw Materials – New Feedstocks for the Chemical Industry; Wiley-VCH (2011) 1-5
  • S. Poth, R. Ulber; Lignocellulosic biorefinery: Process integration of hydrolysis and fermentation, Holzforschung 65 (2011) 633–637, https://doi.org/10.1515/hf.2011.114
  • D. Peters, R. Ulber, K. Wagemann; Die deutsche Roadmap Bioraffinerien; Chem. Unserer Zeit 48 (2014) 46-59, https://doi.org/10.1002/ciuz.201400622 
  • N. Tippkötter, A. Duwe, S. Wiesen, T. Sieker, R. Ulber; Optimized Enzymatic Hydrolysis of Beechwood Lignocellulose an its Utilization as Substrate for the Production of Butanol and Dicarboxylic Acids; Bioresource Technology 167, 447–455, DOI: 10.1016/j.biortech.2014.06.052N.
  • Tippkötter, T. Sieker, S. Wiesen, A. Duwe, B. Saake, R. Ulber, Production of dicarboxylic acids and butanol from wooden cellulose, Keynote Lecture, 9th European Symposium on Biochemical Engineering Science, 2012, Istanbul, Turkey
  • T. Sieker, A. Duwe, S.Poth, N. Tippkötter, R. Ulber: Itaconsäureherstellung aus Buchenholzhydrolysaten. 30. Jahrestagung der Biotechnologen, Karlsruhe, 2012.
  • T. Sieker, N. Tippkötter, R. Ulber, Production of Dicarboxylic Acids from Beech Wood Hydrolysates. Jahrestagung der Fachgruppe Nachhaltige Chemie, Kaiserslautern, 2012.
  • A. Duwe, N. Tippkötter, D. Leipold, S. Riemer, H. Zorn, R. Ulber, Holzhydrolyse als Feststoffreaktion: Charakterisierung von Inhibitoren sowie Erhöhung der Ausbeute durch den Einsatz ligninolytischer Enzyme, ProcessNet-Jahrestagung und 30. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, 2012, Karlsruhe
  • S. Wiesen N. Tippkötter, A. Duwe, R. Ulber, Aceton-Butanol-Ethanol (ABE) Fermentation von Organosolv-Holzhydrolysaten, Dechema Jahrestagung der Biotechnologen 2012, Karlsruhe
  • A. Duwe, N. Tippkötter, D. Leipold, S. Riemer, H. Zorn, R. Ulber, Holzhydrolyse als Feststoffreaktion: Charakterisierung von Inhibitoren sowie Erhöhung der Ausbeute durch den Einsatz ligninolytischer Enzyme, Jahrestagung der Fachgruppe Nachhaltige Chemie "Nachhaltigkeit in der chemischen Synthese", 2012, Kaiserslautern
  • S. Wiesen N. Tippkötter, A. Duwe, R. Ulber, Aceton-Butanol-Ethanol (ABE) Fermentation von Organosolv-Holzhydrolysaten, GDCh Tagung Nachhaltigkeit in der chemischen Synthese 2012, Kaiserslautern
  • T. Sieker, A. Duwe, N. Tippkötter, R. Ulber: Fermentation of Beech Wood Hydrolysates to Itaconic Acid. 8th Conference on Renewable Resources and Biorefineries, 04.-06.06.2012, Toulouse
  • N. Tippkötter, T. Sieker, A. Duwe, S. Poth, R. Ulber, Biocatalytic solid-state conversion of wood cellulose including ligninolytic post-treatment, 8th International Conference on Renewable Resources & Biorefineries, 2012, Toulouse, France
  • A. Duwe, N. Tippkötter, D. Leipold, S. Riemer, H. Zorn, R. Ulber, Degradation of Lignocellulose through Ligninolytic Enzymes and Compositional Analysis of the Phenolic-Degradation Compounds, International Conference for Renewable Resources and Plant [PDF-File] Biotechnology 2012, Magdeburg
  • T. Sieker, J. Bosch, A. Duwe, N. Tippkötter, R. Ulber; Production of Dicarboxylic Acids from Beech Wood Hydrolysates. Symposium Biobased Production of Organic Acids, 10.-11.05.2012, Frankfurt
  • T. Sieker, S. Poth, N. Tippkötter, R. Ulber; Itaconic Acid Production from Beech Wood Hydrolysates. Symposium Industrial Use of Renewable Resources, 14.-15.02.2012, Frankfurt
  • T. Sieker, A. Duwe, N. Tippkötter, R. Ulber; Herstellung von Itaconsäure aus Buchenholzhydrolysaten. Vortrags- und Diskussionstagung Biopharmazeutische Produktion, 14.-16.05.2012, Freiburg
  • N. Tippkötter, S. Poth, T. Sieker, M. Monzon, B. Saake, R. Ulber, Pre-Treatment and Biocatalytic Processing of Substrate Fractions from a Lignocellulose and Green Biorefinery, 7th International Conference on Renewable Resources & Biorefineries 2011, Bruges, Belgium
  • N. Tippkötter, M. Zhang, S. Poth, R. Ulber, TU Kaiserslautern, Enzymatische Lignindegradierung unter Einsatz eines Optimierungsalgorithmus. 28. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen 2010
  • S.Poth, M.Monzon, N.Tippkötter, R.Ulber; Lignocellulosic biorefinery: Process integration of hydrolysis and fermentation; 11th European Workshop on Lignocellulosics and Pulp; 18.08.2010
  • S. Poth, M. Monzon, N. Tippkötter, R. Ulber; Lignocellulose Bioraffinerie: Simultane Verzuckerung und Fermentation; Jahrestagung ProcessNet 2010