Forschen • Ausbilden • Vernetzen
Für eine nachhaltige Bioökonomie

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Für eine nachhaltige Bioökonomie
FocusLab AP3

Advanced Pulping for Perennial Plants: A holistic and sustainable integrated lignocellulose biorefinery concept

Der Wandel von einer erdölbasierten zu einer nachhaltigeren und biobasierten Wirtschaft erfordert die Entwicklung neuer Konzepte, um die Versorgung mit Rohstoffen und Energie aufrecht zu erhalten. Bioraffineriekonzepte zur Verwertung von lignocellulosehaltiger Biomasse sind vielversprechende Alternativen, um wirtschaftlichen Wohlstand verbunden mit ökologischer und sozialer Verantwortung zu sichern. Zwischen 2017 - 2020 etablierte ein interdisziplinäres Team aus acht Partnern ein neuartiges Bioraffineriekonzept im Rahmen des FocusLab AP³: Mehrjährige Pflanzen, auf marginalen Böden kultiviert, werden mittels OrganoCat-Technologie zu Plattformchemikalien wie Zellulose, Zucker und Lignin umgesetzt.

Das Focus-Labor kombiniert Expertise aus Pflanzenbiologie, Chemie- und Verfahrenstechnik sowie Sozioökonomie, um

-       das Potenzial von mehrjährigen Pflanzen in Richtung Biomasse-Verarbeitung zu erhöhen;

-       die technologische Reife des OrganoCat Aufschlusses durch die Etablierung von Downstream- und Upstream-Processing sowie
        technischem Scale-up zu erhöhen;

-       wirtschaftliche und gesellschaftliche Auswirkungen der entwickelten Technologie, Konzepte und Produkte zu bewerten.

Mehrjährige Pflanzen als nachwachsender Rohstoff
Um das Potenzial mehrjähriger Pflanzen als erneuerbare Ressource zu erschließen, wurden neue Pflanzenmanagementstrategien in Kombination mit genetisch verschiedenen Sorten etabliert. Eine Pflanzensammlung aus Sida hermaphrodita Varianten von verschiedenen Standorten in Nordamerika und Europa wurde für die Untersuchung der Wirksamkeit alternativer Dünger auf die Zusammensetzung der Biomasse verwendet. Insbesondere wurde die Reaktion der Pflanzen auf die Form des anorganischen Stickstoffs untersucht und der Einfluss auf die Zusammensetzung der Zellwände analysiert. Die Sida-Variante "Leipzig" wurde zur Aufklärung des Genoms sequenziert, um weitere genetische und molekularbiologische Untersuchungen zu ermöglichen und eine zukünftige Züchtung dieser Pflanzen erlauben.

Bioraffinerien müssen mit verschiedenen Arten von lignocellulosehaltigen Rohstoffen umgehen. Die Zusammensetzung der verschiedenen Lignocellulose-Bausteine ist für die nachfolgende Verarbeitung von erheblicher Bedeutung und trägt sehr zur Widerstandsfähigkeit dieses Materials bei. Um diese Widerstandsfähigkeit von Lignocellulose gegenüber dem OrganoCat-Aufschluss aufzuklären, wurden detaillierte Zusammensetzungsdaten prototypischer Pflanzen aufgenommen und mit Daten zu den Produkten des OrganoCat-Verfahrens verglichen. Dadurch konnten generische Faktoren - insbesondere Lignin-basierte Faktoren - identifiziert werden, die bei der Prozessentwicklung zu berücksichtigen sind.

Aufbau einer OrganoCat-Pilot-Bioraffinerie
Um das Verwertungspotenzial einer OrganoCat-basierten Bioraffinerie zu erhöhen, wurden Technologien und Strategien zur Lignin-Verwertung entwickelt und untersucht. Da in vielen Bioraffinerieansätzen Lignin nur zur Wärme- und Stromerzeugung genutzt wird, besteht derzeit die Notwendigkeit, Technologien zur Extraktion und Fraktionierung von wertvollem Lignin für die weitere Nutzung zu entwickeln. Im OrganoCat-Verfahren wird Lignin in situ unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels (2-Methyltetrahudrofuran; 2-MTHF) als zweite Phase extrahiert. In AP³ wurde ein Konzept zur Abtrennung des Lignins aus 2-MTHF entwickelt, das auf einer Antisolvent-Fällung basiert. Mit dieser Technologie ist es möglich, Lignin nicht nur aus der organischen Phase zu isolieren, sondern es auch nach seinem Molekulargewicht weiter zu fraktionieren. Lignin kann somit hinsichtlich Größe und Qualität (Menge an Beta-Arylether-Bindungen, Verhältnis der Untereinheiten) maßgeschneidert werden und für verschiedene Anwendungen wie Dämmstoffe, Farbkomponenten oder Bestandteile von biobasierten Kunststoffen eingesetzt werden.

Analyse sed Innovationskontextes
Um eine Brücke von der Forschung und Technologieentwicklung zur kommerziellen Anwendung zu schlagen, wurde das Innovationssystem rund um Lignocellulose verwertende Bioraffinerien analysiert. Zur Beantwortung der Schlüsselfragen - welche Industriezweige sind für die Technologieentwicklung relevant; welche Unternehmen sind bereits involviert und welche Rolle spielen sie in diesen Wertschöpfungsketten - wurde eine Business-to-Business-Befragung durchgeführt. Durch die Befragung der beteiligten Akteure wurden Hürden und Fallstricke für die Umsetzung von Lignocellulose verwertenden Bioraffineriekonzepten identifiziert. Eine Umorientierung von Kraftstoffen als Hauptziel hin zu (teilweise neuen) Produkten - Biochemikalien und Biomaterialien - ist von großer Bedeutung. Das Fehlen kommerziell attraktiver Märkte stellt eine Barriere für die zukünftige Entwicklung von Lignocellulose-Bioraffinerien dar. Eine zusätzliche Hürde ist, dass diese Technologien auch die nachhaltige und effiziente Nutzung aller Pflanzenteile, Abfallströme und Nebenprodukte demonstrieren müssen.

Das AP³ FocusLab hat erfolgreich weiterführende wissenschaftliche Erkenntnisse zur nachhaltigen Produktion von lignocellulosehaltiger Biomasse und deren anschließender ganzheitlicher Verarbeitung erarbeitet. Neue Technologien wurden geschaffen und untersucht und eine systematische Betrachtung der Lignocellulose-Verarbeitung und -Wertschöpfung wird eine zukünftige Anwendung der AP³-Konzepte fördern.

Projektleiter

Dr. rer. nat. Holger Klose
Head of Research | Alternative Biomasss
Institute of Bio- and Geosciences - Plant Sciences
Forschungszentrum Jülich GmbH
Leo-Brandt-Strasse
52425 Jülich Germany
Phone: +49 2461 61 3334
Fax: +49-2461 61 2492
E-mail

 

Projektlaufzeit

01.04.2017 – 31.12.2020

 
Förderung

Das Gesamtbudget von AP³ betrug 2.397.204 €. AP³ ist Teil des NRW-Strategieprojekts BioSC und wird gefördert vom Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen.

 
Publikationen

Holtz, A. et al. (2020). Process development for separation of lignin from OrganoCat lignocellulose fractionation using antisolvoent precipation. Separation and Purification Technology 236: 116295

Leipnitz, M., et al. (2020). "Model-based selection of the degree of cross-linking of cation exchanger resins for an optimised separation of monosaccharides." Journal of Chromatography A 1610: 460565.

Weidener, D. et al. (2020) Multiscale analysis of lignocellulose recalcitrance towards OrganoCat pretreatment and fractionation. Biotechnology for Biofuels 13: 155

Weidener, D. et al. (2020) Lignin Precipitation and Fractionation from OrganoCat Pulping to Obtain Lignin with Different Sizes and Chemical Composition. Molecules 25: 3330

Grande, P. M., et al.(2019). "OrganoCat Fractionation of Empty Fruit Bunches from Palm Trees into Lignin, Sugars, and Cellulose-Enriched Pulp." ACS Omega 4(11): 14451-14457

Von Cossel, M., et al.(2019). "Prospects of Bioenergy Cropping Systems for A More Social-Ecologically Sound Bioeconomy." 9(10): 605

Weidener, D., et al. (2018). "One-Step Lignocellulose Fractionation by using 2,5-Furandicarboxylic Acid as a Biogenic and Recyclable Catalyst." ChemSusChem 11(13): 2051-2056