'Bioraffinerie' ist derzeit nicht nur ein Modewort, das aufgrund seiner unzureichenden Definition nicht nur viel, sondern auch häufig unzutreffend verwendet wird, sondern auch ein ernstzunehmendes wissenschaftliches Forschungsgebiet: Es besteht kein Zweifel, dass die Endlichkeit fossiler Ressourcen - ein wissenschaftlicher Fakt - langfristig die Umstellung ganzer Stoffläufe der chemischen Industrie von fossilen Ressourcen (Erdöl, Erdgas, Kohle) auf nachwachsende Rohstoffe ('Nawaros': Holz, landwirtschaftliche Produkte und Abprodukte) bedingen wird. Bedenkt man die langen Zeiträume, die der bestehenden erdölbasierten chemischen Industrie gegeben waren, um ihren heutigen Entwicklungsstand zu erreichen, wird offensichtlich, dass zum Aufbau einer 'Nawaro-basierten' chemischen Industrie viel Zeit und vor allem auch viel Entwicklungs- und Forschungsarbeit nötig ist. Bioraffinerien - als Pendant zu konventionellen Erdöl-Raffinerien definiert - haben die Aufgabe, natürliche, meist pflanzliche Ausgangsstoffe in (möglichst reine) Fraktionen zu trennen und daraus im weiteren Grundchemikalien und -materialien zur Verfügung zustellen. Aus diesen wird dann in folgenden chemischen / biotechnologischen Verfahren die ganze Palette chemischer Zwischen- und Endprodukte hergestellt, was jedoch nicht mehr in den Bereich der eigentlichen Bioraffinerie fällt. Bioraffinerien haben mit zwei spezifischen Problemen zu kämpfen. Zum einen kann es in Bioraffinerien kein Standard-Verfahren zur Aufbereitung und Auftrennung der Biomasse geben: bedingt durch die große Vielfalt der Ausgangsprodukte (z.B. Hölzer, einjährige Pflanzen, verschiedenste Produkte und Abfälle der Agrarproduktion) sind unterschiedliche Aufschluss- und Trennverfahren erforderlich, die speziell auf die Fraktionierung des Ausgangssubstrates abgestimmt sein müssen. Zum anderen entstehen beim Aufschluss der Biomassen extrem komplexe Stoffgemische wechselnder Zusammensetzung - anders als bei Erdölraffinerien, der Synthesechemie oder der pharmazeutischen Industrie - für die herkömmliche Analyseverfahren völlig unzureichend sind. Die unterentwickelte Bioraffinerie-Analytik ist einer der wichtigsten Hindernisse für Bioraffinerien und Bioraffinerie-Produkte heutzutage: eine sinnvolle Verwertung und Weiterverarbeitung von Bioraffinerieprodukten setzt eine präzise (oder zumindest grundlegende) Kenntnis der Zusammensetzung und chemischen Struktur der Ausgangsfraktion voraus. Der Kohlenhydratanteil setzt sich aus einer Cellulose- und einer Hemicellulosefraktion zusammen. Die Cellulose-, Hemicellulose- und Ligninfraktionen sind von hochkomplexer Zusammensetzung: Bedingt durch natürliche Struktur und chemische Reaktionen beim Aufschluss liegen sowohl chemische Bindungen zwischen den Substanzklassen vor (sogenannte lignin-carbohydrate complexes, LCC) als auch meist breite Verteilungen des Molekulargewichtes. (Text gekürzt)
Unter Verwendung neuartiger ionischer Flüssigkeiten soll ein einfach durchzuführendes, druckloses, allgemein anwendbares Verfahren zur Gewinnung von Lignin, Cellulose und Hemicellulose, Gerbstoffen und Harzen aus biogenem Material entwickelt werden. Damit soll eine wirtschaftliche Verwertung aller Holzbestandteile ermöglicht werden. Die Fa. Rampf überträgt das von den Projektpartnern entwickelte Verfahren zur Gewinnung von Lignin, Cellulose und Hemicellulose aus biogenem Material mit Hilfe neuartiger ionischer Flüssigkeiten in einem größeren Produktionsmaß (Scale-Up). Dabei werden die Prozessparameter optimiert und entsprechende Mustermengen an Cellulose, Hemicellulose und Lignin für die weitere Verarbeitung hergestellt. Neben der Gewinnung, Trennung und gegebenenfalls Reinigung der Stoffströme Lignin, Cellulose und Hemicellulose erfolgt die Herstellung und auch das Recycling der ionischen Flüssigkeiten. Die Fa. Rampf wird den Einsatz der gewonnenen Lignine als Monomere für Polymere (Polyurethan-Kunststoffe) prüfen und dementsprechende, ligninbasierende Kunststoffe entwickeln und prüfen. Ebenfalls werden die Stoffströme Cellulose und insbesondere (modifizierte) Hemicellulose hinsichtlich der Eignungsmöglichkeit als reaktiver Füllstoff bzw. Monomer in Kunststoff-Applikationen geprüft.
Das Forschungsvorhaben fokussiert auf die Entwicklung intelligenter Wirkstoffabgabesysteme im Bereich Wasch- und Reinigungsmittel. Die neuen Ansätze für dieses Gebiet lassen sich unter den Aspekten: 1) spezieller Release-Mechanismus, sowie 2) funktionsorientierte Kombination biobasierter Polymere zusammenfassen. Beim Release-Mechanismus wird auf reversible Be- und Entladung Träger-fixierter Mikrocontainer orientiert. Die reversible Beladung impliziert die Entwicklung eines Abgabesystems mit oberflächennahen Reaktivgruppen, die kovalent an einen Träger fixiert werden können. Dafür bieten sich zwei Strategien an: a) Oberflächenmodifizierung reversibel beladbarer Mikrocontainer b) Umhüllung reversibel beladbarer Mikrocontainer mit einer reaktiven Schale. Als stoffliche Basis werden pflanzliche Komponenten favorisiert. Neben verschiedenen Polyanhydroglucosen wie Cellulose und Hemicellulose sind aromatisch strukturierte Polymere aus der Gruppe der Lignine mit vorgesehen. Die Aufgaben: Bereitstellung von Substraten, Gewinnung von Rohlignin, Modifizierung der Biopolymere, Optimierung der Porosität von Perlcellulose, Oberflächenmodifizierung poröser Perlcellulose, Mikroverkapselung und Funktionalisierung der mit Wirkstoff beladenen Perlcellulose, Anbinden der mit einer reaktiven Kapselwand ausgestatteten Partikel an Substratoberflächen (Textilien), Bestimmung der Sesshaftigkeit der Partikel in Abhängigkeit von Waschzyklen, Untersuchung von Partikelbeladung und Wirkstoffabgabe, Analytik.
Ein wesentliches Ziel des Verbundvorhabens betrifft den Einsatz von Cellulase-Enzymkomplexen zur Verzuckerung des Zellstoffs aus dem Organosolv-Aufschluss für die Herstellung von Zucker der zweiten Generation (2G). Die daraus resultierenden Ziele des Teilvorhabens 2 betreffen (i) die Entwicklung eines Produktionsstammes zur Cellulasegewinnung, optimiert für die Hydrolyse von Zellstoff aus dem Organosolv-Aufschluss, (ii) die Cellulaseproduktion auf Basis kostenrelevanter Substrate aus dem Organosolv-Aufschluss und (iii) die Optimierung des Fermentationsprozesses. AP 2: Herstellung der P. verruculosum-Cellulase (CBP/UL) Fermentation im Pilotmaßstab; 1. Phase mit dem Ausgangsstamm P.v.-M28-10; 2. Phase mit gentechnisch optimiertem Stamm (AP7). AP 3: Genetische Veränderung des Ausgangsstammes (Dutch DNA Biotech) Erhöhung der Enzym-Exkretionsrate durch Modifikation des Transkriptionsfaktors bzw. Ausschaltung der C-Katabolitrepression. AP 4: Prozessoptimierung der Cellulaseproduktion mit P.v. (UL) (i) Integration der Cellulaseproduktion auf Basis wirtschaftlich relevanter Substrate aus dem Organosolv-Aufschluss. (ii) Prozessoptimierung mit einem verbesserten non-GMO- als auch einem GMO-Stamm. AP 6: Anpassung der enzymatischen Verzuckerung von Zellstoff (UL) Untersuchung der Hydrolyse der Kohlenhydratfraktion (Cellulose, Hemicellulose) in Kombination mit den LEs von MetGen und USC. Insbesondere soll eine Reduzierung des Restlignin-Anteils im Zellstoff erzielt werden. AP 7: Scale-up der optimierten Cellulase-Fermentation (CBP, UL) Die in AP4 optimierte Cellulase-Produktion einschließlich Downstream Processing wird mit einem gentechnisch verbesserten Stamm am CBP in den Kubikmeter-Maßstab überführt. AP 8: Scale-up des modifizierten Organosolv-Verfahrens und der enzymatischen Cellulosehydrolyse (CBP, UL) Demonstration des Gesamtprozesses von Buchenholz zu Zuckern der zweiten Generation im Pilotmaßstab. Dies beinhaltet die Verzuckerung der Cellulose mit P.v.-Cellulase und LEs.
Das Konsortium des beantragten Forschungsvorhabens, bestehend aus Fraunhofer IAP und IFAM im Verbund mit industriellen Herstellern von Biopolymeren und Modifikaten, sowie mit Klebstoffproduzenten und Applikanten, hat sich das Ziel gesetzt, für verschiedene Klebstofftypen und Anwendungen biobasierte Klebstoffsysteme zu entwickeln. Basis soll die Erarbeitung von Struktur-Wirkungsbeziehungen von Derivaten der Stärke, Cellulose und Hemicellulose sein, um den optimalen Rohstoff/optimale Derivate für vielfältige industrielle Verwendungen und auch für Alltags- bzw. Konsumentenklebstoffe zur Verfügung zu stellen. Ein partieller Ersatz von synthetischen Polymeren und Copolymeren in Marktprodukten wird angestrebt. Ausgehend von verschiedenen industriellen Rohstoffen werden Stärke-, Hemicellulose und Cellulosederivate am Fraunhofer IAP hergestellt, in der Entwicklung von Formulierungen am Fraunhofer IFAM verwendet und für Anwendungen als Dispersionskleber, Schmelz- und Reaktivklebstoff am IFAM und bei renommierten Klebstoffproduzenten getestet. Für Dispersionskleber wird eine Kombination von Degradation und Funktionalisierung durch Veresterung/Veretherung mit Variation der Kettenlänge des Substituenten und des Substitutionsgrades unter Erhalt der Wasserdispergierbarkeit durchgeführt, wobei Anwendungskonzentrationen von 30-50% mit speDas Klebevermögen von funktionalisierten Stärkeprodukten wird mit relativ hoch substituierten Hemicellulose- und Cellulosederivaten verglichen, um den Einfluss der chemischen Struktur auf das Klebevermögen von Biopolymerderivaten für verschiedene Materialien zu untersuchen. Schmelzbare Derivate werden aus Stärke, Cellulose und Hemicellulose hergestellt, um die Erfordernisse an Tg und MFI zu erfüllen. Im Arbeitspaket Reaktivklebstoffe geht es zum einen um den Aufbau von PUR-Dispersionen, zum anderen um die Einführung reaktiver Gruppen in die verschiedenen Polysaccharide.
Das Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung eines technischen Prozesses zum Aufschluss von lignocellulosehaltigen Rohstoffen wie Buche und Pappel und deren Auftrennung in ihre Komponenten (Cellulose, Hemicellulosen und Lignin). Extraktion der Inhaltsstoffe von Buche und Pappel mittels Hochdruckextraktion. Weiterverarbeitung der Fraktionen und anwendungstechnische Untersuchungen. Ökonomische und Ökologische Bewertung des Gesamtverfahrens Das Vorhaben ermöglicht den Zugang zu nachwachsenden Rohstoffen auf Lignocellulose-Basis, die zurzeit nicht, oder nur eingeschränkt zur stofflichen Verwertung, insb. unter Einsatz der Weissen Biotechnologie zur Verfügung stehen. Eine vorherige Extraktion von werthaltigen Inhaltsstoffen ist ein wichtiger Punkt für die Gesamtwirtschaftlichkeit.
Im Rahmen des beantragten Acet-LC Projektes sollen neuartige bio-basierte Kunststoffe auf der Basis lignocellulosischer (LC-)Biomasse entwickelt werden. Die Projektpartner bringen langjährige Erfahrungen der Holzchemie (Universidad de Concepción, UdeC), der Entwicklung (Fraunhofer UMSICHT) und der erfolgreichen Vermarktung biobasierter Kunststoffe (FKuR Kunststoff GmbH) ein. Die Verwendung lignocellulosehaltiger Nebenprodukte als Rohstoffe vermeidet Konkurrenzen mit der Nahrungserzeugung. Der Prozess lässt durch seine kurze Projektkette hohe Ausbeuten und geringe Kosten erwarten. Kern der Prozessentwicklung ist die Acetylierung der LC-Rohmaterialien gefolgt von einer Extraktion niedermolekularer Hemicellulosebruchstücke (AP 1), was an der UdeC untersucht wird. Ausgangsmaterial, Acetylierungsbedingungen und Extraktionsgrad beeinflussen die Eigenschaften des Kunststoffrohmaterials. Die Entwicklung eines marktfähigen Werkstoffs durch Compoundieren mit hocheffizienten, aber umweltschonenden Additiven erfolgt durch Fraunhofer UMSICHT, Abteilung Biobasierte Kunststoffe (AP 2). Die Bewertung aus industrieller Sicht und das Scale-Up der Compoundierung in den industriellen Maßstab übernimmt der Industriepartner FKuR Kunststoff GmbH (AP 3). Die Nachhaltigkeit der zu entwickelnden Technologie wird im Rahmen des Projekts durch eine Ökoeffizienzanalyse, Fraunhofer UMSICHT, Abteilung Ressourcen- und Innovationsmanagement, geprüft (AP 4).
Um den Aufschluss der Lignocellulose aus Getreidestroh kostengünstiger und effizienter zu machen sollen mikrobieller Enzyme wie Cellulasen, Hemicellulasen, Laccasen und Peroxidasen aus extremophilen Mikroorganismen (vorwiegend Archaea) isoliert werden. Die DSMZ besitzt weltweit die umfangreichste Sammlung extremophiler Mikroorganismen. Das Temperaturoptimum der Cellulaseenzyme dieser extremophilen Organismen liegt oft bei etwa 80 Grad C, was u.a. die Gefahr einer Kontamination mit anderen mesophilen Bakterien reduziert. Dadurch wird sich die Ausbeute an Zucker und damit in Folge auch die Bioethanolproduktion erhöhen. Um das Ziel zu erreichen, wird die DSMZ zunächst extremophile Organismen auf ihre cellulolytische Aktivitäten hin untersuchen und dem Verbundpartner SeqLab zur DNA-Sequenzierung zur Verfügung stellen. Außerdem wird die DSMZ SeqLab bei der Suche nach cellulolytischen Genen, die durch Metagenomanalyse von Umweltproben erhalten wurden, mit ihrer Bioinformatik unterstützen. Die Neuisolate der cellulolytischen Mikroorganismen werden von der DSMZ in Reinkultur genommen, chemotaxonomisch charakterisiert und unter besonderer Berücksichtigung der metabolischen Eigenschaften phänotypisiert werden. Dies ist notwendig um die Neuisolate valide benennen zu können. Die axenischen Kulturen der identifizierten Stämme werden an der DSMZ durch Gefriertrocknung und Lagerung konserviert, damit sie für die Herstellung von Enzymen zur Verfügung stehen.
Ziel des Vorhabens war es, durch Hydrolyse von Hemicellulose zu Pentoseloesungen zu gelangen und diese ueber eine Isomerisierung zu Xylulose vergaerbar zu machen, damit einer Verwendung zur Herstellung von Treibstoffaethanol ermoeglicht wird. In einer halbtechnischen Hydrolyseanlage wurde Buchenholzschliff in 2-prozentiger Schwefelsaeure bei Temperaturen zwischen 150 und 200 Grad C einem chemischen Aufschluss unterworfen, wobei die Hemicellulose nahezu vollstaendig als Pentose und Hexose in Loesung ging. Ein Teil der Pentose verwandelte sich in Furfural, das wegen seiner Eigenschaft als Gift fuer Mikroorganismen vor der Weiterverarbeitung destillativ abgetrennt werden musste. Die Pentose wurde anschliessend enzymatisch zu Xylulose isomerisiert und liess sich dann mit normaler Hefe vergaeren. Waehrend bisher Hemicellulose als Rohstoff fuer die Aethanolherstellung nicht in Frage kam, weil Hydrolyse zu Pentoseloesungen fuehrte, die mit herkoemmlichen Hefen nicht vergaerbar sind, bietet Isomerisierung der Pentose zu Xylulose einen gangbaren Weg, diesen Rohstoff fuer Hefe assimilierbar zu machen und so zu einer Nutzung zur Herstellung von Treibstoffaethanol zuzufuehren. Das im Hydrolyseprozess zwangslaeufig ebenfalls anfallende Furfural ist ein wertvolles und begehrtes Nebenprodukt, das die Wirtschaftlichkeit des Prozesses erhoeht.
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