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ERA-IB: Herstellung und Veredelung von 2,3-Butandiol aus Biomasse (PUBB), Teilvorhaben 5: Fermentationsrohstoffe
Projekt
Förderkennzeichen: TI-HF-08-PID1630
Laufzeit: 01.03.2009
- 31.08.2012
Fördersumme: 173.581 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung
Der Dampfdruckaufschluss mit nachfolgender enzymatischen Hydrolyse ist einer der aussichtsreichsten Prozesse um Fermenationszucker aus Lignocellulosen zu erzeugen. Der Prozess wurde optimiert und für verschiedene Verfahrensvarianten umfassend bewertet. Ziel des Projektes war die Entwicklung eines effizienten und wirtschaftlichen biotechnischen Prozesses zur fermentativen Herstellung von 2,3-Butandiol (2,3-BD) aus verschiedenen agrarischen und forstlichen Roh- und Reststoffen sowie dessen Veredelung. 2,3-Butandiol ist eine wertvolle Chemikalie, die als Frostschutzmittel und als Ausgangsverbindung zur Herstellung von Pflanzenschutzmitteln, Pharmazeutika, Geruchsstoffen, Feuchthaltemitteln oder Weichmachern Verwendung findet. Ferner kann 2,3-BD als Ausgangsverbindung zur Herstellung des Lösungsmittels/ Kraftstoffadditivs Methylethylketon und der Bulk-Chemikalie 1,3-Butadien (1,3-BD) genutzt werden. 1,3-BD wird derzeit ausschließlich aus fossilen Rohstoffen im Umfang von etwa 8 Mio. Jahrestonnen hergestellt. Es stellt eine wichtige Vorstufe für künstlichen Kautschuk, verschiedene Polyamide und andere Kunststoffe dar. Aufgrund der breiten Verwendungsmöglichkeiten kann 2,3-BD als neue biobasierte Plattformchemikalie angesehen werden, die biotechnisch aus nachwachsenden Rohstoffen zugänglich ist. Damit trägt das Projekt unmittelbar dazu bei, fossile Rohstoffe zu schonen und substantielle Beiträge zum Klimaschutz zu leisten. Im Teilprojekt “Fermentationsrohstoffe“ wurden Pappel- und Weidenholz aus Schnellwuchsplantagen als Rohstoff eingesetzt. Für die Nutzung in der Fermentation musste eine Trennung von Lignin, Hexosen und Pentosen realisiert werden. Dies wurde durch einen Dampfdruckaufschluss mit nachfolgender enzymatischer Hydrolyse vorgenommen. Der Dampfdruckaufschluss wurde im Bezug auf die Rohstoffcharakteristik sowie die Reaktionsbedingungen Temperatur (170°C – 220°C), Zeit (5 – 30 min), und Katalysatoreinsatz (mit und ohne SO2) optimiert. Nach dem Aufschluss wurden Cellulose und Lignin in der Faserfraktion erhalten, während die Pentosen und Prozessnebenprodukte in der flüssigen Prozessphase erhalten wurden. Nach einer enzymatischen Hydrolyse der Faserfraktion konnte eine Glucoselösung für die Fermentation bereitgestellt werden. Das Lignin bleibt als Hydrolyserückstand zurück und kann energetisch oder stofflich genutzt werden. Der Einfluss der Dampfdruck-Reaktionsbedingungen wurde mit faktoriellen Versuchsplänen optimiert und Hydrolysate wurden für die Projektpartner zur Fermentation zur Verfügung gestellt. Die Verwertung der Nebenprodukte war eine wesentliche Herausforderung für das Projekt, da nur eine vollständige Nutzung des Rohstoffs die Kriterien für eine nachhaltige Bioraffinerie erfüllt. Der Dampfdruckaufschluss wurde mit statistischen Versuchsplänen optimiert. Unter den optimalen Reaktionsbedingungen wurden verfahrenstechnische Modifikationen (steam explosion vers. steam refining) durch Vergleichsversuche an externen Instituten zusätzlich verglichen. Gemeinsam mit den Projektpartnern wurde geprüft, welche Zuckerlösungen für die Fermentation geeignet sind. In diesem Zusammenhang wurden auch mögliche Störstoffe identifiziert und Ausschleusungskonzepte entwickelt.
Der Dampfdruckaufschluss von rindenhaltigem Pappel- und Weidenholz wurde für den Einsatz mit und ohne SO2 optimiert und eine umfangreiche Bilanzierung aller Fraktionen inklusive der flüchtigen Bestandteile, des Lignins und der inhibierenden Substanzen durchgeführt. Nach dem Aufschluss mit SO2 wurden eine höhere Ausbeute an Xylose im Extrakt, eine besser enzymatische Hydrolyse des Faserstoffes sowie etwas geringere Mengen an Abbauprodukten gegenüber dem Aufschluss ohne SO2 gefunden. Der Dampfdruck-Refiner-Aufschluss wurde mit einem Dampfdruck-Explosions-Aufschluss verglichen. Bezüglich der Produktausbeuten nach der enzymatischen Hydrolyse der Faserstoffe wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Verfahren gefunden. Für die Gewinnung des Lignins wurde eine alkalische Extraktion aus dem Faserstoff vor der enzymatischen Hydrolyse erprobt. Alternativ kann das Lignin als Rückstand aus der enzymatischen Hydrolyse gewonnen werden. Dieser Weg ist einfacher, führt aber zu höheren Kohlenhydrat-Verunreinigungen im Lignin. Für beide Verfahrensweisen ist sowohl eine stoffliche als auch eine thermische Verwendung möglich. Erste Untersuchungen zeigen, dass auch die Hydrolyse-Lignine für eine stoffliche Nutzung z.B. in Phenolharzen geeignet erscheinen. Auf den Verfahrensschritt der alkalischen Extraktion kann daher im Prozess verzichtet werden. Die Fermentation der Faserstoffhydrolysate zu 2,3-Butandiol bei dem Projektpartner TU Braunschweig ergab gute Ergebnisse. Die Zugabe des Extrakts zur Fermentation bewirkte allerdings eine deutliche Inhibierung der Mikroorganismen. Daher wurde alternativ die Verwertung der Extrakte im Biogasprozess getestet. In diesem Prozess werden die für die Fermentation zu 2,3-Butandiol inhibierenden Bestandteile toleriert. Dementsprechend ist es möglich, die Produktströme getrennt zu verarbeiten. Die Faserstoffhydrolysate können zu 2,3-Butandiol fermentiert und die Extrakte zur Produktion von Biogas verwendet werden.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Nachwachsende Rohstoffe
- Klimawandel
