Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

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Projektbeschreibung

FÖRDERKENNZEICHEN: 22028411 01.03.2012 bis 30.04.2017
Nachwuchsgruppe: Lokale Vorbehandlung nachwachsender Rohstoffe für Bioraffinerien (BioSats)
Technische Universität Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik - Lehrgebiet Bioverfahrenstechnik
Gottlieb-Daimler-Str., Geb. 44/519
67663 Kaiserslautern
Dr.-Ing. Nils Tippkötter
Tel: +49 631 205-5445
E-Mail: tippkoetter@mv.uni-kl.de

Aufgabenbeschreibung:
Zentrale Zielsetzung des Projekts ist die Etablierung von Verfahrensansätzen zur lokalen Biomassevorbehandlungen. Hierbei werden unterschiedliche pflanzliche Reststoffe (u. a. Gras- und Heckenschnitt, Holzabfälle oder Stroh) mechanisch vorbehandelt, extraktiv in einheitliche Stoffströme getrennt und enzymatisch-fermentativ verwertet. Zusätzlich zu den essentiellen Verarbeitungsstufen der Vorbehandlung und Fraktionierung, werden Wertschöpfung sowie biokatalytische Verwertungskonzepte etabliert und bewertet. Die Betrachtung der gesamten biotechnologischen Wertschöpfungskette entlang einer Lignocellulose-Bioraffinerie dient dabei der Festlegung geeigneter Schnittstellen zwischen lokalen Vorbehandlungseinheiten und zentralisierten Bioraffinerien. Dieses Ziel wird unter Einsatz eines integrierten Stoffstrommodells erreicht, dass die komplexen Abhängigkeiten in silico erfassen kann und ökonomische sowie ökologische Beurteilungen erlaubt. In Kombination mit integrierten numerischen Modellen der maßgeblichen Verarbeitungsschritte (Aufschluss, Hydrolyse, Fermentation) ist eine aussagekräftige Betrachtung der Effizienz möglich. Eine signifikante Problematik von Bioraffinerien ist die variierende Zusammensetzung der zugeführten nachwachsenden Rohstoffe. Mögliche Kontaminationen, Inhibitoren und deren Precursoren stellen oftmals ein Hindernis der Prozessentwicklung dar. Es müssen somit Aufschluss- und Konversionsverfahren der Biomassefraktionen in Abhängigkeit von ihren jeweiligen Anteilen und der Konzentration inhibierender Komponenten gewählt werden. Vor der Wahl der notwendigen Aufreinigungsschritte sind komplexe Analysen der Rohstoffzusammensetzung notwendig. Hierfür wird eine multivariate Analytik der Rohstoffstoffe und der intermediären Stoffströme genutzt. Ziel der Forschungen ist somit ein integriertes, modular variierbares Verwertungskonzept mit einem vorgeschalteten Analyse- bzw. Bewertungsalgorithmus der nachwachsenden Rohstoffe.

Ergebnisdarstellung:
Im Bereich der „Konditionierung, Lagerung und Vorbehandlung" pflanzlicher Biomasse konnte ein neues Verfahren des Biomasseaufschlusses in kleinen Reaktionstiegeln entwickelt werden. Die Tiegel können automatisiert im Differential Scanning Calorimeter (DSC) verarbeitet und online überwacht werden. Dies ermöglicht eine effiziente Entwicklung neuer Aufschlussverfahren (Organosolv, Liquid-Hot-Water) im Kleinstmaßstab. So konnten die Aufschlüsse in Hinblick auf eine Steigerung der Ligninausbeute verbessert und wieder auf einen Reaktormaßstab skaliert werden. Ferner konnte die Vorbehandlung der Biomasse mit Fäulepilzen in adaptiertes Siliergefäß etabliert werden. Übergreifendes Resultat weitergehender Untersuchungen der so gewonnenen technischen Cellulose ist eine Empfehlung zu deren Lagerung in Hinblick auf dessen enzymatische Hydrolysierbarkeit. Im Bereich der „Depolymerisation" und „Wertschöpfung" im Kontext von Bioraffinerien wurden Methoden zur Enzymrückhaltung in Form von Hydrogel Einkapselungen und Membranreaktoren etabliert. Ferner konnte ein neuer Umwurfreaktor in Betrieb genommen werden. In dem Reaktor wurden erfolgreich enzymatische Hydrolysen technischer Cellulose unter Rückhaltung des Substrats durchgeführt. Das Reaktorkonzept wurde erweitert, so dass eine simultane Hydrolyse und Herstellung von Einzellerproteinen oder Butanol in dem Reaktor möglich sind. Zur selektiven Abtrennung des Butanols konnten sogenannte „Sovlent Impregnated Particles (SIP)" entwickelt werden. Das neue Trennkonzept erlaubt eine selektive in situ Abtrennung von Butanol aus dem laufenden Fermentationsbetrieb ohne vorherige Separation der Zellen. Im Bereich der analytischen Entwicklungen wurde ein neues Messverfahren zur Bestimmung der Cellulose- und Hemicellulose-Anteile in pflanzlicher Biomasse etabliert. Mit den beiden Verfahren IR-Spektrometrie und DSC können Pflanzenproben im Bereich von wenigen Milligramm ohne Probenvorbehandlung auf ihre Zusammensetzung hin untersucht werden.

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