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Development of 2nd Generation Biorefineries – Production of Dicarboxylic Acids and Bio-based Polymers Derived Thereof

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Neue Biopolymere aus Bioraffinerieabfall

Mit Bioraffinerien der zweiten Generation sollen Abfälle verwertet werden, und die ideale Anlage würde diese ohne Rückstände verarbeiten. In diesem Sinne entwickelte das Projekt BIOREFINE-2G neuartige Prozesse, um pentosereiche Abfallströme in Biopolymere umzuwandeln.

Industrielle Technologien

Während Bioraffinerie meist mit der Ethanolproduktion assoziiert werden, sind in Form von Pentose und Lignin weitere große Nebenprodukt- und Abfallströme vorhanden. Diese können für die Biogas- und Energieproduktion genutzt werden, aber nur bei geringer Rentabilität und mit wenig Umweltvorteilen.   "Die heute entwickelten Bioraffinerien konzentrieren sich noch zu sehr auf ein einziges Produkt, im Wesentlichen auf Kraftstoff und Energie gesetzt.  Wir müssen von Ölraffinerien lernen, bei denen die 80-20-Regel besagt, dass 80% des Einkommens von 20% an hochwertigen Produkten oder noch mehr stammt", sagt Dr. Gudbrand Rødsrud, Technischer Direktor der norwegischen Bioraffinerie Borregaard, einem Partner von BIOREFINE-2G.  "Bioraffinerien müssen ihre Produktlinie zusätzlich zu den Massen-Energieträgern mit hochwertigen Spezialprodukten ergänzen."   Um ihnen dabei zu helfen, befasste sich das Konsortium von BIOREFINE-2G, an dem acht industrielle und akademische Partner aus der Biotechnologie beteiligt sind, die letzten vier Jahre mit der Entwicklung eines völlig neuen Umwandlungsprozesses.   Nichts dem Zufall überlassen   Dabei bezogen die Partner die gesamte Wertschöpfungskette in ihre Forschung ein: Sie charakterisierten Nebenproduktströme aus Forstwirtschaft und anderen Non-Food-Rohstoffen, entwickelten genetisch veränderte Saccharomyces cerevisiae – eine Hefeart, die in der Weinbereitung und in Brauereien verwendet wird – aus an C5-Zucker reichen Abfallströmen, stellten einen neuen Prozess vor, um diese Abfälle in Diaciden umzuwandeln und, last but not least, verwendeten diese Disäuren, um neue biologisch abbaubare biobasierte Polymere zu entwickeln.   "Unsere Hefestämme wurden angepasst, um die rauen Umgebungen der Abfallströme ertragen zu können. Sie wurden so entwickelt, dass sie mit neuen Substraten (Xylose) neue Produkte (Disäuren) herstellen können", erklärt Dr. Borodina, Leitende Wissenschaftlerin an der Universität von Dänemark und Koordinator von BIOREFINE-2G. Darauf aufbauend entwickelte das Team ein Fumarsäure-Reinigungsverfahren aus fermentierten Lignozelluloseabfällen und erreichte ein zufriedenstellendes Reinheitsniveau für Polymeranwendungen.   Die Polymere, die das Konsortium als "potenzielle Substitute für petroleumbasierte Polymere" sieht, können in kommerziell interessante Produkte umgewandelt werden. Dazu gehören teilweise biobasierte thermoplastische Polyurethane (Bio-TPU), die als Klebstoffe und Beschichtungen verwendet werden, sowie Polylactid (PLA)-Kopolymere, die als biologisch abbaubare Verpackungskunststoffe eingesetzt werden können.   "Unsere Biopolymere zeigen verbesserte und spezielle Eigenschaften wie Biokompatibilität für den Einsatz in medizinischen Anwendungen oder reduzierte PLA-Sprödigkeit für Verpackungen", erzählt Dr. Amador García Sancho von Aimplas begeistert.   Der Weg zur Großproduktion   Zunächst zielte das Projekt auch darauf ab, Skalierungstests durchzuführen, wobei der Scale-up-Prozess mithilfe der proprietären BALI-Technologie auf eine Demonstrationsanlage des Projektpartners Borregaard übertragen werden soll. Allerdings wurde der Bau im Hinblick auf neue Prioritäten verschoben.   "Vor kurzem tauchte eine neue Ligninquelle auf", sagt Dr. Rødsrud. "Das hat Vorrang vor einer neuen BALI-Anlage und zielt auf die gleichen Lignin-Märkte.  Die BALI-Technologie wird noch weiterentwickelt werden und die Entwicklung von Prozessen zur weiteren Valorisierung der Ligninströme ist im Gange und wird fortgesetzt."   Mittlerweile hat das Konsortium eine genetische Toolbox für industrielle S. cerevisiae-Stämme entwickelt, die von akademischen und industriellen Partnern genutzt wird. Dr. Borodina ist zuversichtlich, dass die Toolbox bei der Entwicklung neuer Hefe-basierter Prozesse für andere biobasierte Chemikalien helfen wird.   "Wir werden Märkte und potenzielle Kunden für die im Rahmen von BIOREFINE-2G entwickelten Polymere untersuchen. Möglichkeiten zur Ausschöpfung sind zukünftige Patente oder der Verkauf von Technologie an interessierte Partner. Schließlich werden Kommerzialisierungsmöglichkeiten im Zusammenhang mit unserem reaktiven Extrusionsverfahren für die Polymerproduktion untersucht", sagt sie.

Schlüsselbegriffe

BIOREFINE-2G, Biopolymere, Abfälle, Bioraffinerie, Biotechnologie, Zucker, Disäuren, PLA, BALI

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