Das Projekt, das die PFI Biotechnologie und die US-amerikanische University of Nebraska-Lincoln (UNL) Anfang Oktober 2017 gemeinsam starteten fokkusiert sich auf die Bernsteinsäure-Produktion durch angepasste Mikroorganismen, die Xylose zusammen mit CO₂ zu Bernsteinsäure (engl.: succinic acid) synthetisieren können. Mit einer Laufzeit von drei Jahren wird es im Rahmen des Förderprogramms Bioeconomy International des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

01.10.2017 – 30.09.2020

Die Europäische Union unterstützt die Entwicklung einer nachhaltigen, biobasierten Wirtschaft. Ziel ist, neben Lebensmitteln auch Materialien und Energieträger aus Biomasse zu gewinnen. Dazu zählt beispielsweise Getreidestroh, womit sich das PFI schon seit langem beschäftigt. Um das zu erreichen, bedarf es kostengünstiger Methoden, sog. Precursor für die Chemieindustrie bereitzustellen. Bernsteinsäure wurde als eines der wichtigsten biobasierten s.g. Plattformchemikalien identifiziert, die als Vorprodukt in der Chemieindustrie für unterschiedlichste Anwendungen, z.B. Polymere, eingesetzt werden kann. Besonders wichtig ist hier die Entwicklung von kostengünstigen Herstellungsverfahren.

Ansatzpunkt: Nutzung Co-Produkte von Bioraffinerien, Biogasanlagen und Bioethanolfabriken

Bioraffinerien, die sich an landwirtschaftlichen, lignifizierten Reststoffen zur Verzuckerung der Cellulosefraktion zu Glucose bedienen, produzieren auch als Nebenprodukt Xylose. Xylose stammt aus der Hemicellulosefraktion und fällt bei thermochemischen Aufschlussverfahren an. Xylose ist eine Pentose für die es bisher wenige Verwertungsmöglichkeiten gibt. Beispielsweise kann Xylose von der traditionellen Hefe Saccharomyces cerevisiae nicht zur Fermentation zu Ethanol genutzt werden. Actinobacillus succinogenes ist ein Stamm der von Natur aus Bernsteinsäure produziert. Dieser Stamm soll im Rahmen des Projekts für die Nutzung von Xylose genetisch optimiert werden.

Das notwendige Kohlendioxid stammt hierbei vom Biogas bzw. der Bioethanolfermentation. Biogas als CO₂ Quelle spielt vor allem in Europa eine Rolle. Biogas hat i.d.R. CO₂ Konzentrationen zwischen 30 und 50 % die bisher ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben werden. Mit mehr als 8000 Biogasanlagen in Deutschland stehen genügend Potentiale zur Verfügung das Nebenproduckt CO₂ stofflich zu nutzen.

Die Bioethanolproduktion ist in Nebraska ein bedeutender Industriezweig. Nebraska ist drittgrößter Maisanbauer in den USA und produziert jährlich aus 18 Millionen Tonnen Mais 76 Millionen Hektoliter Bioethanol. Pro Kilogramm Ethanol wird bei der Fermentation 0,95 kg CO₂ produziert. Damit stehen in Nebraska erhebliche Mengen CO₂ für eine stoffliche Nutzung zur Verfügung.

Fermentation im Tropfkörperreaktor

Um den Stofftransfer der flüssigen und gasförmigen Nährstoffe zu Verbessern eignet sich ein Tropfkörperreaktor. Hier siedeln sich die Organismen auf einer festen Oberfläche an, während ein flüssiges Nährmedium von oben nach unten durch den Reaktor tropft. Gleichzeitig wird von unten das Gas (Biogas bzw. CO₂ aus der Bioethanolproduktion) eingeblasen und wandert im Gegenstromverfahren nach oben. So wird der Organismus optimal mit Nährstoffen und CO₂ versorgt. Dieses Konzept ermöglicht außerdem, dass die ausgeschiedene Bernsteinsäure im flüssigen Medium unten im Reaktor abgeleitet werden kann.

Doppelter Nutzen durch Verknüpfung von Verfahren

Durch die Verknüpfung der Xylosefermentation zu Bernsteinsäure mittels Nutzung von CO₂ aus Biogas entsteht ein Vorteil für beide Verfahren. Einerseits stehen für die Bernsteinsäure-Produktion günstige Substrate zur Verfügung, Xylose aus Lignocellulose und CO₂ aus Biogas, gleichzeitig wird bei der stofflichen Nutzung des CO₂ das Biogas vom CO₂ befreit und kann als Biomethan in das Erdgasnetz eingespeist werden. Damit ergibt sich eine alternative Methode zur Biogasaufbereitung. Die CO₂ Bilanz von Biogas bzw. Bioethanol kann durch die stoffliche Nutzung von CO₂ für Bernsteinsäure somit weiterhin verbessert werden.

zurück