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Aufschluss agrarischer Roh- und Reststoffe

Projekt

Agrarischer Roh- und Reststoffe  (c) Thünen-Institut
Agrarischer Roh- und Reststoffe (© Thünen-Institut)

Untersuchung und Bewertung von Aufschlussmethoden zur Gewinnung freier Zuckerbausteine aus agrarischen Roh- und Reststoffen für die stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe, Evaluierung neuer Technologien

Die zentralen Bausteine für die Produktion von biobasierten Grundchemikalien sind die Biomasse zugrundeliegenden Zucker. Ein umfassendes Wissen über deren Gewinnung ist erforderlich, um effiziente Konversionsverfahren bewerten und entwickeln zu können.

Hintergrund und Zielsetzung

Wie in konventionellen ist der erste Prozessschritt in Bioraffinerien üblicherweise die Fraktionierung des Rohstoffes in die Einzelkomponenten. Einer der Hauptbestandteile von pflanzlicher Biomasse sind die aus Zuckerbausteinen aufgebauten Kohlenhydrate.  In freier Form sind sie essentielle Zwischenprodukte für die fermentative Herstellung vieler biobasierter Grundchemikalien. Diese Konversion funktioniert mit Kohlenhydraten wie Stärke aus Getreide oder Saccharose aus Zuckerrüben relativ effizient, zur Vermeidung von Nahrungsmittelkonkurrenzen können diese Rohstoffe jedoch nur sehr eingeschränkt für die stoffliche Nutzung eingesetzt werden.

Alternative Kohlenhydratquellen sind Cellulose und Hemicellulose, die Hauptbestandteile der meisten agrarischen Rohstoffe und vor allem von Reststoffen wie Stroh, Spreu oder Zuckerrübenschnitzeln sind.
Cellulose und Hemicellulose lassen aber nicht einfach in die benötigten Zuckerbausteine überführen, da sie in der Regel nicht isoliert, sondern in komplexen, sehr beständigen Verbundstrukturen vorliegen. Für die effiziente Rohstoffnutzung ist es daher erforderlich den Rohstoff durch Aufschluss in freie, einfach fermentierbare Zucker zu überführen. Für diese Verzuckerung kommen physikalische, chemische und biotechnische Verfahren in Betracht. In der Vergangenheit wurden unterschiedlichste Verfahren und Verfahrenskombinationen entwickelt, die aus Kostengründen zurzeit aber noch nicht großtechnisch eingesetzt werden.


Neben der Untersuchung und Bewertung von bestehenden und neuen Aufschlussverfahren liegt ein Schwerpunkt unserer Arbeiten auch in der Entwicklung und Optimierung neuer Aufschlussmethoden und Methodenkombinationen für die effiziente Verzuckerung von agrarischen Roh- und Reststoffen. Wir berücksichtigen dabei sowohl die spezifischen Anforderungen der Substrate als auch der biotechnischen oder chemisch katalytischen Folgeprozesse.

Vorgehensweise

Wesentliche Kernpunkte unserer Arbeiten sind:

  • Analyse und Bewertung von bekannten und Entwicklung neuer Aufschlussverfahren
  • Substratspezifische Entwicklung von Aufschlussmethoden und -strategien unter Berücksichtigung der Folgeprozesse
    • Biotechnische Konversion (Fermentation): Berücksichtigung der speziellen
    • Bedürfnisse des oder der eingesetzten Mikroorganismen
    • Chemisch katalytische Konversion: Berücksichtigung der Katalysator-spezifischen Anforderungen.

Hierfür setzen wir unterschiedlichste Technologien und Analysenmethoden ein:

  • Mechanisch-physikalische Vorbehandlung mit Mühlen (analytische Zwecke: Ultra-zentrifugal und Kugelmühlen; Prozessentwicklung: Hammer-, Messer-, Schlag-Rotor und Schlag-Kreuzmühlen)
  • Biomasse Zusammensetzungsanalyse: Nach NREL und anderen Methoden unter Einsatz klassischer und ionenchromatographischer Methoden werden alle Kohlenhydratbestandteile und potentielle Abbauprodukte quantifiziert.
  • Aufschluss von agrarischen Roh- und Reststoffen im Labormaßstab mit diversen Hochdruck-Autoklaven (50 mL bis 5 L; elektrische, Heißdampf- und Mikrowellen-Heizung)
  • Optimierung und Bewertung von Aufschlussmethoden, insbesondere für hohe Substratgehalte, Optimierung von Wahl und Dosierung Aufschluss-unterstützender Chemikalien und Enzyme durch Methoden der statistischen Versuchsplanung

Thünen-Ansprechpartner


Beteiligte externe Thünen-Partner


Zeitraum

Daueraufgabe 1.2011 - 12.2025