Projekt 13157/01

örderschwerpunkt Biotechnologie: Integriertes Verfahren zur Gewinnung von Bioethanol aus nachwachsenden Rohstoffen: Verwertung von Roggenganzpflanzen durch innovativen thermisch-enzymatischen Aufschluss bei gleichzeitiger Biokonversion zu Ethanol un[…]

Projektdurchführung

Stern-Enzym GmbH & Co. KG
Kurt-Fischer-Str. 55
22926 Ahrensburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der Aufschluss von Biomasse erreicht mit den bisher industriell eingesetzten Enzymsystemen nur geringe Umsatzraten von Cellulose zu Glukose. Der in diesem Vorhaben eingeschlagene Weg sieht daher eine Kombination von thermischen und enzymatischen Verfahren vor und zwar unter Einbeziehung neuer Enzymsysteme aus thermophilen Mikroorganismen und Pilzen. Durch Kopplung mit hydrothermischen Aufschlussverfahren lassen sich hohe Umsatzraten erzielen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Biomasse Roggenstroh wurde zunächst hydrothermisch durch hoch erhitztes Wasser (200 °C) bei 50 bar in einem Festbettreaktor aufgeschlossen. Dabei wurden keine weiteren Chemikalien (wie z. B. Schwefelsäure oder Natronlauge) verwendet, um Umweltbelastungen zu vermeiden. Außerdem war bei diesen Hydrolysebedingungen die Bildung toxischer Nebenprodukte wie Hydroxymethylfurfural (HMF) und Furfural stark herabgesetzt. Nach dieser hydrothermischen Behandlung lag die Hemicellulose in Form von Oligosacchariden (Xylane) in der wässrigen Phase gelöst vor. Die Cellulose befand sich im Feststoffrückstand. Um die Cellulose und Xylane weiter zu hydrolysieren, schloss sich ein enzymatischer Aufschluss mit neuartigen Enzymsystemen aus einer Mutante von Penicillium janthinellum V39 und Aspergillus brasiliensis an. Eine mechanische Zerkleinerung (z. B. Mahlvorgang) des Feststoffs, gleichbedeutend mit einem enormen Energieaufwand, war nicht notwendig. Der Xylanasekomplex aus A. brasiliensis wandelte die Xylane in Xylose um, während der Cellulasekomplex aus P. janthinellum V39 die Cellulose in Glukose umsetzte. Die entstandenen Einfachzucker konnten durch geeignete Hefen (z. B. Pichia stipitis) zu Ethanol vergoren werden.


Ergebnisse und Diskussion

Die thermische Hydrolyse des Substrats Roggenstroh wurde erfolgreich durchgeführt. Dabei hat die Temperatur den größten Einfluss auf die Verflüssigung des Substrats. Es zeigte sich, dass die Ausbeuten der Zuckermonomere bei Behandlungsintensitäten von 210-230 °C am höchsten sind. Höhere Intensitäten führen zum Abbau von Glukose und Xylose und zu unerwünschten Produkten wie Furfural und Hydroxymethylfurfural (HMF). Ein Festbettreaktor wurde in Betrieb genommen, der eine optimale thermische Vorbehandlung gewährleistet. Die Produktion cellulolytischer und xylanolytischer Enzymsysteme aus den mesophilen Pilzen Penicillium janthinellum V39 und Aspergillus brasiliensis wurde erfolgreich induziert. Es liegen thermoaktive Enzymkomplexe vor, die für die Umwandlung langkettiger Saccharide zu Monosacchariden (Glukose und Xylose) sehr gut geeignet sind. Die Umsatzraten liegen hier bei 98,7 % (Glukose aus Cellulose) bzw. 99,7 % (Xylose aus Hemicellulose). Durch Fermentationen konnte gezeigt werden, dass die ausgewählten Pentose-fermentierenden Hefen Xylose zu Ethanol umsetzen. Pichia stipitis ist dabei am besten geeignet. Untersuchungen zum Abbau der Zuckermonomere zeigten, dass während der Co-Fermentation von Saccharomyces cerevisiae mit den Xylose-fermentierenden Hefen Glukose und Xylose zu Ethanol fermentiert werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

1. Brunner G, Albrecht T: Conversion of Lignocellulosic Materials and Model Compounds in Sub- and Supercritical Water, in: Proceedings of the 8th International Symposium on Supercritical Fluids, Kyoto, Japan, 05.-08.11.2006

2. Schacht C, Zetzl C, Brunner G: Continuous Liquid-Hot-Water Treatment of Rice Bran and the Production of pure Ethanol by Means of Enzymatic Conversion and SFE, in: Proceedings of the 1st Iberoamerican Conference on Supercritical Fluids, Iguassu, Brazil, 10.-13.04.2007

3. Zetzl C, Patil V, Budich M, Brunner G: One Step Purification to Absolute Alcohol from Sugar Cane Molasse by Means of Supercritical CO2, in: Proceedings of the 1st Iberoamerican Conference on Supercritical Fluids, Iguassu, Brazil, 10.-13.04.2007

4. Rogalinski T, Liu K, Albrecht T, Brunner G: Hydrolysis Kinetics of Biopolymers in Subcritical Water, in: Proceedings of the 5th International Symposium on High Pressure Process Technology and Chemical Engineering, Segovia, Spain, 24.-27.06.2007

5. Brunner G: From Plant Materials to Ethanol by Means of Supercritical Fluid Technology, in: Proceedings of the 5th International Symposium on High Pressure Process Technology and Chemical Engineering, Segovia, Spain, 24.-27.06.2007

6. Katzer M, Stößer N, Minow B, Antranikian G: Microbial community genomics (Microcomgenomics) for discovery of novel cellulases. Poster VAAM Tagung, Osnabrück, 01.-04.04.2007

7. Piela B, Antranikian G: Novel thermoactive cellulases from the anaerobic thermophilic bacteria Anaerobranca gottschalkii and Fervidobacterium gondwanense. Vortrag VAAM Tagung, Osnabrück, 01.0-04.04.2007

8. Bockemühl V, Rogalinski T, Ingram T, Popper L, Brunner G, Antranikian G: Bioconversion of rye straw at elevated temperatures. Poster VAAM Tagung, Frankfurt, 09.-11. März 2008 (VAAM Posterpreis)

9. Müller K, Piela B, Bockemühl V, Antranikian G: Bioethanol production from rye straw by Pichia stipitis. Poster VAAM Tagung, Frankfurt, 09.-11.03.2008

10. Rogalinski T., Ingram T., Zetzl C., Bockemühl V., Antranikian G., Brunner G.: Aufschluss von Lignocellulose mit heißem Wasser, CO2 und Enzymen (Lecture). High Pressure meets Advanced Fluids (DECHEMA), Aachen, Germany 2008

11. Ingram T., Rogalinski T., Bockemühl V., Popper L., Antranikian G., Brunner G.: Combined Thermal and Enzymatic Saccharification of Lignocellulosic Biomass (Poster). International Congress on Biocatalysis (Biocat), Hamburg, Germany 2008

12. Rogalinski T, Ingram T, Zetzl C, Bockemühl V, Antranikian G, Brunner G: Aufschluss von Lignocellulose mit heißem Wasser, CO2 und Enzymen. Poster ProcessNet-Jahrestagung, Karlsruhe 07.-09.10.2008 (ProcessNet Posterpreis)

13. Rogalinski T., Ingram T., Brunner G.: Hydrolysis of Lignocellulosic Biomass in Water under Elevated Temperatures and Pressures. Journal of Supercritical Fluids, Volume 47, Issue 1, Pages 54-63, 11.2008

14. Bockemühl V, Ingram T, Rogalinski T, Popper L, Brunner G, Antranikian G: Bioconversion of rye straw at elevated temperatures. Poster Biorefinica 2009, Osnabrück, 27.-28.01.2009

15. Bockemühl V, Ingram T, Hahn F, Popper L, Smirnova I, Brunner G, Antranikian G: Bioconversion of rye straw at elevated temperatures. Poster VAAM Tagung, Bochum, 08.-11.03.2009

16. Ingram T., Rogalinski T., Bockemühl V., Antranikian G., Brunner G.: Semi-Continuous Liquid Hot Water Pretreatment of Rye Straw. Journal of Supercritical Fluids, Volume 48, Issue 3, Pages 238-246, 04.2009


Fazit

Mit dem vorliegenden Verfahren und den eingesetzten Enzymsystemen konnte Roggenstroh effizient hydrolisiert und für die alkoholische Gärung eingesetzt werden. Während in diesem Verfahren die Gewinnung von Bioethanol durch Einsatz verschieden kombinierter Verfahren enzymatisch chemischer/physikalischer Verfahrensinnovationen im Mittelpunkt stand, steht bei dem auf die vorgelegten Ergebnisse aufbauenden Projekt (AZ 13226 Bioraffinerie der 2. Generation: Optimierung der Prozessführung zur Gewinnung werthaltiger Zucker und naturbelassenen Lignins aus Roggenstroh-Lignocellulose) die Wertschöpfung aus Roggenganzpflanzen zur Energie- und Grundstoffproduktion im Vordergrund. Zentrales Anliegen dieses neueren Vorhabens ist es, toxische Nebenprodukte wie Hydroxymethylfurfural und Furfural sowie anfallende hochwertige Zucker (Xylose, andere C5-Zucker) frühzeitig aus dem Verfahrensprozess zu eliminieren und sie als wirtschaftlich wertvolle Bestandteile zu gewinnen. Dieser ökonomisch relevante Aspekt der Nebenprodukte blieb im Vorgängervorhaben (AZ 13157) völlig unberücksichtigt. Für eine technische und industrielle Umsetzung jedoch wird es unbedingt notwendig sein, genau dieser Fragestellung nachzugehen, um den Gesamtprozess überhaupt wirtschaftlich umzusetzen.