Forschung
Klimawandel, Treibhausgas-Emissionen, Verknappung und Verteuerung fossiler Energieträger: Das sind die globalen Entwicklungen, auf die wir uns einstellen müssen. Die verstärkte stoffliche und energetische Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen und verfügbaren Restbiomassen ist sowohl aus ökologischer als auch ökonomischer Sicht unabdingbar. Intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit im Bereich der Biomassenutzung schafft die Grundlagen für eine effiziente und wirtschaftliche Nutzung dieser Ressourcen.
Mit einem interdisziplinären Team aus Biotechnologen, Mikrobiologen, Chemikern und Ingenieuren konzentriert die PFI Biotechnology ihre Forschungsaktivitäten auf folgende Bereiche:
Biogas
Biogas
Optimierung der Prozessbiologie
Zentrale Aufgabe der PFI Biotechnology ist es, Forschungsprojekte im Bereich Biogas zu initiieren und durchzuführen. In laufenden Projekten erforschen wir bereits die mikrobielle Flora in Biogasanlagen. Die Optimierung der Prozessbiologie bietet noch erhebliches Potential für weitere Effizienzsteigerungen in der Biogasproduktion.
Unser Ziel ist, die vielfältigen Interaktionen zwischen den zentralen mikrobiellen Gruppen im Biogasprozess zu beleuchten und ein tieferes Verständnis der optimalen Wachstums- und Nährstoffbedingungen zu gewinnen.
Die Isolierung und Charakterisierung besonders leistungsfähiger Bakterien eröffnet zudem die Möglichkeit zur Entwicklung speziell auf Biogasanlagen zugeschnittener Starterkulturen.
Nutzung von Restbiomassen – Lignocellulose
Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld der PFI Biotechnology ist die Untersuchung bislang kaum genutzter Biomassen auf ihre Eignung als Substrat zur Biogasproduktion. Im Fokus stehen dabei Restbiomassen und landwirtschaftliche Koppelprodukte wie Landschaftspflegematerial oder Stroh. Ein verstärkter Einsatz dieser Substrate könnte den Konflikt entschärfen, ob die verfügbaren landwirtschaftlichen Flächen zur Energie- oder zur Nahrungsmittelproduktion genutzt werden.
Der Einsatz dieser stark lignifizierten Biomassen in Biogasanlagen stellt allerdings neue Herausforderungen an die Verfahrenstechnik und die Prozessbiologie. Wir entwickeln und optimieren neue Aufschlussverfahren, um diese Substrate zur Biogasproduktion nutzbar zu machen (siehe auch Biomasseaufschluss).
Nährstoffoptimierung
Daneben überprüfen wir Additive auf ihre Wirkung im Biogasprozess. Ein wichtiges aktuelles Thema ist hierbei, wie Mikroorganismen ausreichend mit Spurennährstoffen versorgt werden können, insbesondere bei Anlagen mit hohen Raumbelastungen und keinen oder nur geringen Gülleanteilen im Substrat-Mix. Wir untersuchen, welche Spurenelemente für die Prozessstabilität in Biogasanlagen entscheidend sind, und ermitteln ihre optimalen Konzentrationen.
Die Kosten-Nutzenrelation beim Einsatz von hydrolytischen Enzymen in Biogasanlagen ist Gegenstand eines umfangreichen Verbundprojektes, an dem die PFI Biotechnology mitarbeitet.
Fermentation
Fermentation
Die stoffliche Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen in Form einer biobasierten Chemikalien- und Polymerproduktion wird in Zukunft enorm an Bedeutung gewinnen. Während wir im Energie- und Verkehrssektor verschiedene Möglichkeiten zur Substitution fossiler Brennstoffe haben, steht uns im Bereich der Polymere nur die Biomasse als zukünftige Alternative zur Verfügung. Unser Ziel ist, die vielfältigen Interaktionen zwischen den zentralen mikrobiellen Gruppen im Biogasprozess zu beleuchten und ein tieferes Verständnis der optimalen Wachstums- und Nährstoffbedingungen zu gewinnen. Die Isolierung und Charakterisierung besonders leistungsfähiger Bakterien eröffnet zudem die Möglichkeit zur Entwicklung speziell auf Biogasanlagen zugeschnittener Starterkulturen.
Fermentative Biopolymer-Herstellung
Ein Schwerpunkt der Aktivitäten der PFI Biotechnology ist die fermentative Gewinnung von Biopolymeren zur Substitution von petrobasierten Kunststoffen.
Wir erforschen derzeit die Produktion von Polyhydroxybuttersäure (PHB) und weiterer Polyhydroxyalkanoate (PHA) mittels spezieller Bakterienstämme. PHB, PHB-Copolymere und weitere PHAs sind Speicherstoffe, die von verschiedenen Mikroorganismen intrazellulär angelegt werden. Hieraus lassen sich thermoplastische Biopolymere mit hervorragenden Materialeigenschaften gewinnen, die in jeder Hinsicht mit petrobasierten Kunststoffen wie Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) konkurrieren können. Im Gegensatz zu diesen sind sie jedoch vollständig biologisch abbaubar und können kompostiert werden.
Einer breiten Anwendung von Biopolymeren stehen allerdings die noch sehr hohen Preise entgegen. Das liegt einerseits an den Rohstoffkosten, da derzeit hauptsächlich auf Basis von Zuckern (Frucht- oder Malzzucker) produziert wird, anderseits bedingt das aufwendige Abtrennen und Reinigen des PHB vom Zellmaterial relativ hohe verfahrenstechnische Kosten.
PHB aus Restbiomassen
Die PFI Biotechnology verfolgt daher das Ziel einer PHB-Produktion auf der Grundlage kostengünstig verfügbarer Restbiomassen wie Stroh. Die Kombination thermischer und enzymatischer Aufschlussverfahren macht Hemicellulosen und Lignocellulose für eine Fermentation verfügbar. Durch die Einbeziehung einer Biogasproduktion auf Basis der Reststoffe wird Energie für den Prozess bereitgestellt. Parallel untersuchen wir neue verfahrenstechnische Ansätze für eine lösungsmittelfreie Aufbereitung des Zielproduktes.
C5-Fermentation
Weitere Forschungsansätze sind Fermentationen auf der Basis von Pentosen aus hydrolysierten Hemicellulosen. Die Gewinnung des hochwertigen Zuckeralkohols Xylitol aus Xylose mittels spezieller Hefen ist ein Schwerpunkt dieser Aktivitäten.
Biomasseaufschluss
Biomasseaufschluss
Prozessgesteuerte enzymatische Hydrolyse (PEH)
Abbaugrad und Abbaugeschwindigkeit von Substraten im Biogasprozess hängen stark vom strukturellen Aufbau der jeweiligen Einsatzstoffe ab. Während Fette, Proteine sowie Stärke sehr schnell und weitgehend zu Biogas umgesetzt werden, stellen die faserigen Anteile, und hier insbesondere die Cellulosefraktion, eine Herausforderung für die Biogasproduktion dar. Zum einen erschwert die Struktur der Cellulosefasern die enzymatische Hydrolyse, zum anderen sind die typischen Milieubedingungen im Biogasfermenter (pH-Wert, Temperatur) ungünstig für cellulolytische Enzyme und verringern deren Aktivität deutlich. Dementsprechend werden die faserigen Pflanzenanteile in Biogasanlagen nur langsam und unvollständig abgebaut.
Vor diesem Hintergrund entwickelt die PFI Biotechnology ein spezielles Vorhydrolyse-Verfahren, um Abbaugrad und Abbaugeschwindigkeit des Faseranteils wesentlich zu erhöhen. Bei der prozessgesteuerten enzymatischen Hydrolyse (PEH) wird die Biomasse in einem speziellen Hydrolysebehälter aufgeschlossen, bevor sie in den Biogasfermenter gelangt. In dem gesteuerten und sensorüberwachten Prozess werden optimale pH- und Temperaturbedingungen für die Aktivität hydrolytischer Enzyme eingestellt. Nach intensiven Untersuchungen im Labor- und Techmikumsmaßstab wird das Verfahren derzeit in der Praxis erprobt (siehe auch Entwicklung).
Thermo-Druck-Hydrolyse (TDH)
Die Nutzung lignifizierter Biomasse erfordert den Einsatz weitergehender Aufschlussverfahren, insbesondere wenn zuckerangereicherte Hydrolysate für Fermentationen bereitgestellt werden sollen.
In diesem Zusammenhang arbeitet die PFI Biotechnology intensiv an einem hydrothermalen Aufschlussverfahren, der sogenannten Thermo-Druck-Hydrolyse (TDH). Durch ein spezielles diskontinuierliches Verfahren wird die Hemicellulosefraktion lignifizierter Substrate (beispielsweise Stroh) weitgehend hydrolysiert und die Lignocellulose für eine nachfolgende enzymatische Hydrolyse vorbereitet (siehe auch Entwicklung).
Lignocellulose: ist das am weitesten verbreitete natürlich vorkommende organische Material und der Primärbaustein von Pflanzenzellwänden. Die Hauptbestandteile von Lignocellulose sind Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Diese drei Biopolymerstrukturen sind gemeinsam für die Stabilität von Pflanzenmaterialien verantwortlich. Holz beispielsweise verdankt ihnen seine lange Haltbarkeit.
Vor allem Lignin ist besonders beständig und schützt Pflanzenstrukturen gegen mikrobiellen Abbau. Aber genau diese Persistenz erschwert die biotechnologische Umsetzung von Lignocellulose zu chemischen Grundstoffen, Treibstoff (2G) oder Energie.
Für eine möglichst nachhaltige Umsetzung von Lignocellulose sind Gemische von Enzymen notwendig, die Cellulose und Hemicellulose in ihre Zuckerbestandteile hydrolysieren. Gegenwärtig ist die Herstellung dieser Enzyme sehr teuer. Deshalb ist die Umsetzung der Prozesse im großtechnischen Maßstab derzeit nicht wirtschaftlich.
2G-Treibstoffe: Biogene Treibstoffe – also Treibstoffe, die aus Biomasse gewonnen werden – unterteilt man in zwei Kategorien: Werden zucker- oder stärkehaltige Substrate wie Mais oder Zuckerrohr verwendet, spricht man von biogenen Treibstoffen der ersten Generation (1G). 1G-Treibstoffe sind relativ einfach herzustellen und werden großtechnisch beispielsweise in den USA und Brasilien produziert (Bioethanol). Da die Anbauflächen für 1G-Treibstoffe mit denen für Lebensmittel konkurrieren, verlieren diese Substrate zur Kraftstoffherstellung immer mehr an Popularität.
Daher wird intensiv an der Herstellung von Kraftstoffen aus Restbiomassen wie Stroh geforscht. Restbiomassen bestehen hauptsächlich aus Lignocellulose und sind nicht für den Verzehr geeignet. Treibstoffe, die aus Lignocellulose gewonnen werden, bezeichnet man als Treibstoffe der zweiten Generation (2G). Sie im großtechnischen Maßstab herzustellen ist derzeit sehr teuer. Grund der hohen Kosten sind die eingesetzten Enzyme (siehe Lignocellulose).
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