Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

ERA-IB: Herstellung und Veredelung von 2,3-Butandiol aus Biomasse (PUBB); Teilvorhaben 4: Screening nach Mikroorganismen & Fermentation

Anschrift
Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig - Fakultät 2 - Lebenswissenschaften - Institut für Biochemie und Biotechnologie
38106 Braunschweig
Spielmannstr. 7
Kontakt
Dr. Siegmund Lang
Tel: +49 531 391-5732
E-Mail: s.lang@tu-bs.de
FKZ
22009608D
Anfang
01.03.2009
Ende
31.08.2012
Aufgabenbeschreibung
Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines effizienten und wirtschaftlichen biotechnischen Prozesses zur fermentativen Herstellung von 2,3-Butandiol 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-Butandiol als Ausgangsverbindung zur Herstellung des Lösungsmittels/ Kraftstoffadditivs Methylethylketon und der bulk-Chemikalie 1,3-Butadien genutzt werden. 1,3-Butadien wird derzeit ausschließlich aus fossilen Rohstoffen im Umfang von etwa 8 Mio. Jato hergestellt. Es stellt eine wichtige Vorstufe für künstlichen Kautschuk, verschiedene Polyamide und andere Kunststoffe dar. Aufgrund der breiten Verwendungsmöglichkeiten kann 2,3-Butandiol als neue biobasierte Plattformchemikalie angesehen werden, die biotechnisch aus nachwachsenden Rohstoffen zugänglich ist. Damit trägt das angestrebte Projekt unmittelbar dazu bei, fossile Rohstoffe zu schonen und substantielle Beiträge zum Klimaschutz zu leisten. Das Projekt deckt die gesamte Wertschöpfungskette ausgehend von verschiedenen nachwachsenden Rohstoffen über die Biokonversion zu dem Primärprodukt 2,3-Butandiol, dessen Isolierung und Aufarbeitung bis hin zu dessen Veredelung zu den bulk-Chemikalien Methylethylketon und 1,3-Butadien ab. Die Prozessökonomie und Nachhaltigkeit der erzielten Ergebnisse entlang der Wertschöpfungskette werden hierbei vergleichend zu einem Best Case Szenarium sowie der petrochemischen 2,3-Butandiol Herstellung gegenübergestellt.
Ergebnisdarstellung
Durch ein umfangreiches Screening nach Risikoklasse 1 Stämmen konnten verschiedene Mikroorganismen identifiziert werden, die in der Lage sind agrarische und forstliche Roh- und Reststoffe biokatalytisch in die wertvolle Chemikalie 2,3-Butandiol umzusetzen. Der Risikoklasse 1 Stamm B.licheniformis erreichte unter fed-batch Bedingungen und Glucose als Substrat Endkonzentrationen von bis zu 145 g/L 2,3-Butandiol. Im Vergleich zur Literatur wurde mit diesem Risikoklasse 1 Stamm eine 2,3-Butandiol Konzentration erreicht, die bisher nur mit Risikoklasse 2 Stämmen beschrieben ist. Die Maßstabsvergrößerung der biotechnischen 2,3-Butandiol Herstellung auf 20 bis 40 L wurde erfolgreich im batch Ansatz unter Verwendung von Glucose und Dicksaft als Rohstoffe durchgeführt. Für die Aufarbeitung des 2,3-Butandiols aus der Fermentationsbrühe lag zu Beginn des Projektes der Fokus auf Membran gestützte Isolierungsverfahren der vorbehandelten Fermentationsbrühe. Da die Membranen aber nicht über mehrere Zyklen einsetzbar waren, wurde als alternative Methode die Produktisolierung und Aufreinigung durch Destillation zum reinen 2,3-BD mittels Aspen Plus modelliert. Prozessvarianten, ausgehend vom veresterten 2,3-Butandiol, sowie Aspen Prozess Simulationen zeigten die prinzipielle Machbarkeit eines technischen Verfahrens zur hochselektiven Herstellung von 1,3-Butadien aus 2,3-Butandioldiacetat. Durch den Einsatz alternativer Rohstoffe lassen sich fossile Ressourcen in erheblichem Maße einsparen. Unter den derzeitigen Bedingungen stellen Dicksaft und Rohglycerin laut Nachhaltigkeitsbewertung ökologisch vorteilhafte Substrate und eine Alternative zu petrochemisch hergestellten 2,3-Butandiol dar.

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