Darstellung der digitalen Bioraffinerie mit den wesentlichen Verfahrensschritten zur Umwandlung von Biomasse in neue Wertstoffe

Copyright: IBG-1, Forschungszentrum Jülich

| Darstellung der digitalen Bioraffinerie mit den wesentlichen Verfahrensschritten zur Umwandlung von Biomasse in neue Wertstoffe

Zerlegung der widerspenstigen Lignocellulose
Im Zentrum einer Lignocellulose-Bioraffinerie steht ein biochemischer Umwandlungsprozess mit Mikroorganismen als Haupt­akteuren. Diese können mit den langkettigen, hochverzweigten Molekülen der Lignocellulose zunächst jedoch nichts anfangen und benötigen technische Starthilfe. Durch mechanische und enzymatische Verfahren wird die Biomasse daher vorbehandelt. Ein solches Verfahren stellt beispielsweise das an der RWTH Aachen und am Forschungszentrum Jülich entwickelte OrganoCat-Verfahren dar. Dieses wurde auf der Grundlage von Abfällen aus der holzverarbeitenden Industrie etabliert und anschließend im FocusLab „AP3“ zur Vorbehandlung verschiedenster Lignocellulose-haltiger Reststoffströme weiterentwickelt (siehe Artikel zu AP3). Das durch die Vorbehandlung gewonnene Stoffgemisch wird anschließend weiter aufgetrennt: So entsteht eine feststoffhaltige Cellulose-Fraktion und eine wässrige Phase mit bereits gelösten Zuckern sowie Lignin als weiterem Komplex­bestandteil. Während die darauffolgende enzymatische Aufspaltung der Cellulose in verwertbare Glucose-Einheiten technisch gelöst ist, stellt die Zerlegung von Lignin immer noch eine große Herausforderung dar und ist Gegenstand aktueller Forschungen im BioSC. Gegenwärtig kann die Lignocellulose also noch nicht vollständig verwertet werden. Es resultieren aber dennoch zwei Stoffströme, die jeweils ergiebige Ausbeuten an Zuckern mit sechs Kohlenstoffatomen (Glucose) beziehungsweise fünf Kohlenstoffatomen (Xylose) liefern. Dieser kleine, aber feine Unterschied ist von großer Bedeutung für die weitere mikrobielle Stoffumwandlung.

Die aus der Lignocellulose freigesetzten Zucker können nun durch geeignete Mikroorganismen und deren natürliche Enzymausstattung in gewünschte Zwischen- oder Endprodukte umgewandelt werden. Hierbei gibt es allerdings zwei grundlegende biologische Sachverhalte zu berücksichtigen: Erstens gibt es nicht DEN industriell einsetzbaren Mikroorganismus, der natürlicherweise alle verschiedenen Zucker aus der Vorbehandlungsstufe verwerten kann. Zweitens existieren auf der Basis verschiedener Zelltypen und Stoffwechselwege immer mehrere Pfade, welche die Verwertung eines bestimmten Zuckers ermöglichen. Die Aufgabe der Forschung ist es, hier das optimale Vorgehen zu finden.

Jedoch kann es je nach festgelegtem Ausgangssubstrat (zum Beispiel C5- oder C6-Zucker), dessen gewähltem Umsetzungspfad, sowie dem gewünschten Zielprodukt zu einer mehr oder weniger starken Nebenproduktbildung von CO2 kommen. Dadurch wird die Effizienz der Kohlenstoffnutzung im Gesamtprozess der Bioraffinerie und damit auch deren Wirtschaftlichkeit so­-wie ihr ökologischer Fußabdruck positiv oder negativ beeinflusst.

Hier kommt nun das Digitale ins Spiel.         

Viele kleine Modelle ergeben ein großes Ganzes
Computergestützte Prozessmodellierung und -optimierung steigern zunehmend die Wettbewerbsfähigkeit von biobasierten Verfahren im Vergleich zu bestehenden konventionellen Methoden. Aufgrund der skizzierten Komplexität einer Bioraffinerie erfordert die Erstellung eines digitalen Computermodells die Expertise von Wissenschaftlern unterschiedlicher Disziplinen – allen voran der Bio- und Systemverfahrenstechnik. Im Rahmen des BioSC-Projektes „BeProMod“ haben Wissenschaftler der RWTH Aachen und des Forschungszentrums Jülich nun ein erstes Demonstrationsmodell einer digitalen Bioraffinerie erstellt.

Die Detailtiefe dieses Modells reicht von der biologischen Beschreibung einzelner enzymkinetischer Reaktionen über komplexe mikrobielle Stoffwechselnetzwerke bis hin zur technischen Umsetzung in verschiedene Grundoperationen, zu Reaktortypen und vollständigen Prozessketten einer Bioraffinerie. Der Modellansatz wurde dabei so gewählt, dass die zukünftige Weiterentwicklung auf Grundlage neuer experimenteller Daten sowie vertieften Wissens einfach möglich ist. Besonderer Wert wurde auch auf die Benutzerfreundlichkeit und Wiederverwendbarkeit einzelner Modellbausteine gelegt, um die Modellierung dynamischer Prozesse aus anderen Anwendungsbereichen zu gestatten. In einer ersten konkreten Fallstudie wurde ein Produktionsprozess berechnet, in welchem Mikroorganismen die organische Säure Succinat als wichtige Vorstufe der industriellen Kunststoffherstellung bereitstellen. Hauptakteur in diesem Verfahren war der für diese Aufgabe optimierte Modellorganismus Corynebacterium glutamicum.

Mithilfe des Computermodells konnten ideale Stamm- und Prozessvarianten für eine skalierbare Produktion von Succinat auf Basis von OrganoCat-Substraten identifiziert werden. Der Sprung aus der digitalen Welt in eine real existierende Bioraffinerie wird unter anderem im BioSC FocusLab „HyImPAct“ vor­bereitet. Hier werden die experimentelle Umsetzung sowie weiterführende techno-ökonomische Fragen zum bestmöglichen Produktionsprozess bewertet.