Ein innovativer Weg zu Bio-Kohlenwasserstoffen

Von Thomas Buhl

Global Bioenergies entwickelt innovative industrielle Verfahren für die biotechnologische Umwandlung von nachwachsenden Rohstoffen in Kohlenwasserstoffe.

Das Verfahren basiert auf der Fermentation von Zucker, welcher zur Herstellung von leichten Olefinen wie Isobuten, Propylen oder Butadien verwendet wird. Aus denen wiederum werden Kraftstoffe, Kunststoffe und Elastomere hergestellt. Für die Zukunft dieses Umwandlungsprozesses plant Global Bioenergies, auch land- und forstwirtschaftliche Abfälle sowie Kohlenmonoxid, z. B. aus Stahlhüttenabgasen oder der Vergasung von Hausmüll, als Ausgangsrohstoffe zu verwenden. Die mit diesem Verfahren hergestellten Olefine sind vollständig identisch mit Produkten, die normalerweise aus fossilem Öl gewonnen werden - ein wesentlicher Unterschied zu herkömmlichen Biobrennstoffen, wie z. B. Ethanol oder Biokunststoffen, die auf Polymilchsäuren (PLA) und Bernsteinsäure basieren.

Projektziel

Von Anfang an war es die Zielsetzung von Global Bioenergies, metabolische Wege für die Umwandlung von Zuckern in leichte Olefine zu finden. Leichte, gasförmige Olefine wie Isobuten, Propylen oder Butadien sind eine Gruppe von organischen Molekülen, die bisher nicht durch Bioproduktion hergestellt werden konnten. Gegenwärtig werden diese  Basiskomponenten für die Herstellung von Kunststoffen, Elastomeren, Kraftstoffzusätzen sowie vieler chemischer Rohstoffe und besonderer Chemikalien aus fossilen Quellen gewonnen. Da natürliche Mikroorganismen normalerweise keine leichten Olefine produzieren, entwickelt Global Bioenergies durch Methoden der Synthetischen Biologie neue E. coli Bakterienstämme mittels aufwändiger Screeningverfahren und Prozesse der „directed evolution“. Dafür werden bisher nicht existierende Stoffwechselwege über Zwischenprodukte geplant und die dafür benötigten Enzyme gezielt gesucht. Diese Enzyme werden im Labor auf hohe Umsatzraten optimiert, die korrespondierenden Gene anschließend in die Bakterien eingeschleust.

Die von Global Bioenergies entwickelten Verfahren stellen somit eine Lösung hinsichtlich der schwindenden Ölreserven dar und unterstützen die Entwicklung nachhaltiger Industrien, welche auf erneuerbaren Rohstoffen basieren.

Vorteile des neuen Fermentationsprozesses

Der Produktionsprozess bei Global Bioenergies beruht auf der gasbildenden Art der Fermentation – eine effizientere Methode als die herkömmliche flüssige Fermentation. Der Fermentationsprozess für gasförmige Produkte bietet zwei wesentliche Vorteile:

  • Erstens tritt keine mit dem Produkt verbundene Toxizität auf, da sich das Produkt nicht in der Fermentationsbrühe ansammelt. Die durch das Endprodukt verursachte Toxizität ist eine der wichtigsten Einschränkungen bei der Entwicklung von Bioprozessen und wird dank des Ansatzes der gasbildenden Fermentation vollständig vermieden.
  • Zweitens wird die im Anschluss notwendige Aufreinigung der Produkte entscheidend vereinfacht: Sobald das gasförmige Produkt aus dem Fermentationsmedium austritt, ist davon auszugehen, dass der größte Teil der Reinigung bereits erfolgt ist. Im Vergleich zur konventionellen Herstellung von beispielsweise Bioethanol, bei der energieintensive Destillationsschritte zur Flüssig-Extraktion erforderlich sind, weist der neue Prozess von Global Bioenergies eine deutlich bessere Energiebilanz auf.

Isobuten - Projektübersicht

Als erstes Projekt wurde das Isobuten-Programm begonnen, dessen erste „Entdeckungsphase“ Mitte 2010 abgeschlossen werden konnte. Diese beinhaltete die Erforschung und Entwicklung der Enzyme, welche den Biosynthesepfad von Zucker zu Isobuten begleiten und ermöglichen, wobei jedes einzelne Enzym einen zuvor geplanten Reaktionsschritt katalysiert.

Seit Juli 2013 wird mit einer Anlage in Pomacle in der Nähe von Reims die industrielle Pilotphase eingeleitet. Im Umfeld der wichtigsten agroindustriellen Anlagen in Frankreich wird ein Fermenter mit einem Fassungsvermögen von 500 Litern auf der BioDémo-Plattform installiert, welche vom Unternehmen Agro-Industrie Recherches et Développements (ARD) betrieben wird. ARD ist ein auf die Industrialisierung von Fermentationsprozessen spezialisiertes Unternehmen. Diese Pilotanlage könnte bei einer optimalen Ausbeute und Produktivität eine jährliche Produktionskapazität von 10 Tonnen Isobuten erreichen. Es werden auch Tests mit verschiedenen Zuckerquellen und –mengen durchgeführt, einschließlich Zucker, der aus land- und forstwirtschaftlichem Abfall gewonnen wird. Auch der französische Chemiebranchenführer Arkema wird sich an der industriellen Pilotphase beteiligen. Sie verfolgt das Ziel, das gewonnene Isobuten in Methacrylsäure umzuwandeln, ein Ausgangsstoff für die Herstellung von Acrylfarben.

Innenansicht der Fermentationsanlage des Fraunhofer-Zentrums für Chemisch-Biotechnologische Prozesse (CBP) mit dem die deutsche Global Bioenergies-Tochter in einem BMBF-geförderten Projekt kooperiert. © Fraunhofer CBP
Innenansicht der Fermentationsanlage des Fraunhofer-Zentrums für Chemisch-Biotechnologische Prozesse (CBP) mit dem die deutsche Global Bioenergies-Tochter in einem BMBF-geförderten Projekt kooperiert. © Fraunhofer CBP


Die zweite industrielle Pilotphase

Das Isobuten-Verfahren wird in einer zweiten Pilotphase fortgesetzt, die zusätzliche Entwicklungen rund um das Reinigungsmodul einschließt und somit für eine hohe Produktreinheit sorgt. Die deutsche Tochtergesellschaft, Global Bioenergies GmbH, hat im November 2013 eine Förderzusage des BMBF über 5,7 Millionen Euro im Rahmen des “BioEconomy Spitzenclusters” erhalten und wird die dreijährigen Entwicklungsarbeiten am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna durchführen.

Die Fermenter mit einer Kapazität von je 5000 Litern können unter optimalen Bedingungen jährlich etwa 100 Tonnen Isobuten produzieren. Diese Größenordnung ermöglicht die Lieferung von Mustern an Industrieunternehmen.

Weitere Schritte

In weiteren Entwicklungsschritten mit Kollaborationspartnern wie LanzaTech aus Neuseeland oder Audi soll das Isobuten-Verfahren weiter an Ressourcen der zweiten Generation erprobt werden. So sollen auch Kohlenmonoxid, land- und forstwirtschaftliche Abfälle, sowie Haus- und Industriemüll verwertet werden können. Des Weiteren steht die Entwicklung industrieller Fermentationsprozesse für Propylen, Butadien und andere Olefine auf dem Plan von Global Bioenergies.