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Für eine nachhaltige Bioökonomie

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Newsletter | Juni 2021 | Download PDF

 

FocusLab AP3

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

Der Wandel von einer erdölbasierten zu einer nachhaltigeren 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. Von 2017 bis 2020 etablierte ein interdisziplinäres Team aus acht Partnern im Rahmen des FocusLab AP³ ein neuartiges Bioraffineriekonzept: Mehrjährige Pflanzen, auf marginalen Böden kultiviert, werden mittels OrganoCat-Technologie zu Plattformchemikalien wie Cellulose, Zucker und Lignin umgesetzt.

Das FocusLab 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.

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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.

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Analyse des 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.

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Das FocusLab AP³ 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.

 

AP³ Publikationen

 

Projektleiter

Dr. Holger Klose
IBG-2 Pflanzenwissenschaften, Forschungszentrum Jülich
E-Mail

 
Beteiligte Core Groups

Prof. Dr. Ulrich Schurr, Dr. Holger Klose, Dr. Silvia Schrey,  Dr. Philipp M. Grande
IBG-2 Pflanzenwissenschaften, Forschungszentrum Jülich

Prof. Dr. Björn Usadel, Sabine Dietrich
ABBt – Botanik und Molekulare Genetik, RWTH Aachen
(neue Adresse: IBG-4 Bioinformatik, Forschungszentrum Jülich)

Prof. Dr. Walter Leitner, Dennis Weidener
ITMC – Technische und Petrolchemie, RWTH Aachen

Prof. Dr. Peter Westhoff, Dr. Elena Pestsova
Institut für Entwicklungs- und Molekularbiologie der Pflanzen,  HHU Düsseldorf

Prof. Dr. Markus Pauly, Dr. Murali Dama
Institut für Pflanzliche Zellbiologie und Biotechnologie, HHU Düsseldorf

Prof. Dr.-Ing. Andreas Jupke, Arne Holtz, Martin Leipnitz
AVT – Fluidverfahrenstechnik, RWTH Aachen

Prof. Dr.-Ing. Alexander Mitsos, Dr.-Ing. Jörn Viell,  Alexandra Weber-Bernard
AVT – Systemverfahrenstechnik, RWTH Aachen

Prof. Dr. Stefanie Bröring, Dr. Laura Carraresi, Lora Tsvetanova
ILR – Technologie-, Innovationsmanagement und Entrepreneurship,  Universität Bonn

 

Projektlaufzeit

01.04.2017 – 31.12.2020

Förderung

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

                        

 

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