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ERA-WoodWisdom: Kontrollierte Trenn- und Konversionsprozesse für Hemicellulosen (COSEPA)
Projekt
Förderkennzeichen: TI-AT-08-PID1619, 22002314
Laufzeit: 01.05.2014
- 30.04.2017
Fördersumme: 291.428 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung
Um Biomasse besser nutzen zu können, müssen Verfahren und Produkte auf Basis von Hemicellulosen entwickelt werden. Wir tun dies am Beispiel der wichtigen Industriechemikalien 2,3-Butandiol und Maleinsäure. Nachhaltigkeit spielt eine immer wichtigere Rolle bei industriellen Prozessen. Aber welche Rohstoffe eignen sich, die fossilen zu ersetzen? Hemicellulosen sind als Bestandteil von Holz in großen Mengen vorhanden, stehen nicht in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion und werden bisher wenig genutzt. In dem europäischen Verbundprojekt COSEPA soll dieses Material, beginnend beim Rohstoff Holz, über neue Wege der Trennung, Fraktionierung und Konversion veredelt werden. Im Teilprojekt des Thünen-Instituts liegt der Fokus darauf, Verfahren zur biotechnischen Produktion von 2,3-Butandiol und der chemisch-katalytischen Synthese von Maleinsäure zu entwickeln. 2,3-Butandiol wäre ein biobasierter Ausgangsstoff für das Lösungsmittel Methylethylketon, das in einer jährlichen Menge von 1,7 Mio. Tonnen zur Herstellung von Farben und Beschichtungen eingesetzt wird. Maleinsäure bzw. Maleinsäureanhydrid sind wichtige Bausteine für Polyester und Alkydharze. Die Produktionsmenge liegt bei etwa 1,5 Mio. Tonnen im Jahr. Mit den im Projekt zu entwickelnden Verfahren können große Mengen fossiler Rohstoffe eingespart und wichtige Schritte in Richtung einer biobasierten Wirtschaft gemacht werden. Die derzeit höchsten Umsetzungsraten und Ausbeuten an 2,3-Butandiol sind für Mikroorganismen der Risikoklasse 2 beschrieben. Ein industrieller Prozess wäre mit diesen Organismen aufgrund hoher Sicherheitsauflagen aber sehr teuer und damit nur schwer realisierbar. Auch mit Mikroorganismen der Risikoklasse 1, wie Paenibacillus polymyxa und Bacillus licheniformis, konnten vergleichbar hohe Mengen 2,3-Butandiol mit dem Substrat Glucose erzielt werden. Über die Nutzung von Pentosen zur Produktion von 2,3-Butandiol ist bisher nur wenig bekannt. Die Aussicht, die Produktivität der bekannten Risikoklasse-1-Mikroorganismen durch Prozessoptimierung zu steigern, ist daher vielversprechend. Zusätzlich zu den bereits bekannten Stämmen soll nach neuen Stämmen der Risikoklasse 1 gesucht werden, die 2,3-Butandiol produzieren. Können wir optimierte Prozessparameter sowie Prozessführungsstrategien mit dem vielversprechendsten Mikroorganismus etablieren, so eröffnet das die Aussicht auf einen industriell nutzbaren Bioprozess zur Produktion von 2,3-Butandiol aus nachwachsenden Rohstoffen. Maleinsäure wird aktuell durch eine katalytische Gasphasenoxidation von unterschiedlichen Petrochemikalien (Benzol, Buten, Butan) hergestellt. Dabei werden nur mäßige Selektivitäten erreicht. Im COSEPA-Projekt soll – anstatt fossile Rohstoffe zu beanspruchen – eine Produktion von Maleinsäure über Pentosen erfolgen. Die Herausforderung besteht darin, ein effektives durchgängiges Verfahren zu entwickeln, das die Reaktionsschritte Hemicellulose - Pentose - Furfural - Maleinsäure vereinigt. Die Hydrolyse der Hemicellulose zu Pentosen (v.a. Xylose und Arabinose) kann unproblematisch durch Säurekatalyse oder Enzyme erfolgen. Xylose wird bereits seit 1921 industriell für die Synthese von Furfural, dem entscheidenden Zwischenprodukt auf dem Weg zur Maleinsäure, genutzt. Um Maleinsäure aus Furfural herstellen zu können, ist eine Oxidation notwendig. Ein seit 1935 bekanntes Verfahren ist die katalytische Dampfphasen-Oxidation mit Sauerstoff, wofür aber sehr hohe Temperaturen nötig sind. Mildere Reaktionsbedingungen sind durch den Einsatz komplexer Katalysatoren vorstellbar. Um das Gesamtziel einer Eintopfsynthese von der Hemicellulose bis zur Maleinsäure verwirklichen zu können, wollen wir die existierenden Ansätze zusammenführen und durch die Entwicklung neuer Katalysatoren optimieren.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Forstwirtschaft
- Verfahrenstechnik
- Nachwachsende Rohstoffe
