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Plattformchemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen herstellen

04.10.2012 Das neu eröffnete Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse (CBP) in Leuna soll die verfahrenstechnische Entwicklung vorantreiben, um aus regenerativen Rohstoffen chemische Grundstoffe herzustellen oder fermentative Verfahren zur Enzymherstellung zu entwickeln. Die Investitionen für den Neubau betragen 53 Mio. Euro.

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In der Fermentationsanlage des Fraunhofer CBP in Leuna sollen Prozesse zur Herstellung von Enzymen auf industrielle Maßstäbe übertragen werden. Ein Projekt ist die Herstellung von Meerrettich-Peroxidase (Bild: Fraunhofer)

Weltweit arbeiten Chemieunternehmen daran, Erdöl durch nachwachsende Rohstoffe zu ersetzen. Im Labormaßstab funktionieren einige dieser neuen Verfahren, die ohne Lebens- und Futtermittel auskommen sollen, schon sehr gut. Die Nutzung nachwachsender Rohstoffe in industriellen Dimensionen ist allerdings selbst für große Unternehmen ein erheblicher finanzieller und technologischer Kraftakt. Auch kleine und mittlere Unternehmen scheitern bisher oft daran, ihre Produkte in die technische Anwendung zu bringen, obwohl sie im Labor bereits erfolgreich attraktive Produkte entwickelt haben. Dies soll sich mit dem neuen Fraunhofer CBP ändern, das am 2. Oktober 2012 nach knapp zwei Jahren Bauzeit eröffnet wurde.

„Das neue Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP schließt die Lücke zwischen Labor und industrieller Umsetzung bei der Nutzung nachwachsender Rohstoffe“, sagt Prof. Reimund Neugebauer, der am 1. Oktober 2012 sein Amt als Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft antrat. »Mit dem Fraunhofer CBP werden zudem Prozesse möglich, die vielfach rohstoff- und energieeffizienter als die petrochemischen Verfahren sind.“

Mit dem Fraunhofer CPB entsteht „eine europaweit einmalige Plattform zur Entwicklung neuer Verfahren bis in produktrelevante Dimensionen mit direkter Anbindung an die chemische Industrie«, erläutert Prof. Thomas Hirth, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart. Das Fraunhofer CBP wird gemeinsam von Wissenschaftlern des Fraunhofer IGB und des Fraunhofer Instituts für Chemische Technologie (ICT) in Pfinztal betrieben. 19  Mitarbeiter sind am CBP bereits tätig. „Am Fraunhofer CBP verknüpfen wir Chemie und Biotechnologie. Indem wir uns auf bisher wenig genutzte Holzarten wie Buchenholz, land- und forstwirtschaftliche Reststoffe oder auch Mikroalgen konzentrieren, gehen wir einen ersten Schritt hin zu einer Bioökonomie«, erläutert Hirth, der den Spitzencluster Bioeconomy wissenschaftlich koordiniert. „Das Zentrum in Leuna steht allen Kooperationspartnern für Forschung und Entwicklung zur Verfügung, um die Verarbeitung der nachwachsenden Rohstoffe zu erforschen und marktreife Produkte zu entwickeln.“

Der Neubau des Fraunhofer CBP mit mehr als 2000 m2 Fläche wurde vom Architekturbüro Scherr + Klimke in Ulm geplant. Es umfasst ein Hauptgebäude mit Technika und Laboren, Utilities-Gebäude sowie Büroräumen und ein separates Gebäude mit Lagerräumen für Rohstoffe, Hilfsstoffe und Endprodukte. Das Technikum umfasst mehrere Module mit vorgelagerten Dokumentations- und Technikräumen, den Nebenräumen für das Büro- und Laborgebäude im 1. OG und der Medientrasse im 2. OG. Im Utilities-Gebäude sind alle technischen Einrichtungen zur Herstellung der benötigten Medien installiert.

Für das Engineering der verfahrenstechnischen Einheiten sowie die hierfür erforderliche Infrastruktur und benötigten Medien zeichnete die Linde Engineering Dresden als Generalunternehmer verantwortlich. Fünf verschiedene Prozessanlagen stehen nach dem Modell einer Bioraffinerie als separat zu betreibende oder je nach Bedarf einfach zu kombinierende Module zur Entwicklung und Skalierung von biotechnologischen, chemischen und kombinierten Verfahren bereit. Mit diesem sehr flexiblen Konzept bieten sich neue Möglichkeiten, um die Nutzung von biologischen Rohstoffen weiterzuentwickeln und bis in die industrielle Größenordnung voranzutreiben. Auf diese Weise wird es möglich, die etablierten Prozesse der chemischen Industrie mit neuen, innovativen Verfahren zu kombinieren und so beispielsweise öl-, lignin-, cellulose-, stärke- oder zuckerhaltige Rohstoffe als Ausgangsstoffe für Produkte zu gewinnen.

Im Modul für den Aufschluss von Lignocellulose, dem Bestandteil verholzter Pflanzenteile, hat der Generalunternehmer eine komplexe Anlage realisiert, die alle Verfahrensschritte umfasst, um aus Holzhackschnitzeln, Rinde oder Pflanzenresten weiter verwertbare Zwischenprodukte im Pilotmaßstab zu gewinnen: Organosolv-Lignin, das als Bindemittel in Faserplatten Phenol-Formaldehydharze oder als Werkstoff Kunststoffe ersetzen kann, sowie die Zucker Glucose und Xylose. Die Zucker wiederum können im Modul Fermentation als Kohlenstoffquelle für biotechnologische Umsetzungen eingesetzt werden, um verschiedene Chemikalien herzustellen. Eine Tonne Holz kann pro Woche am Fraunhofer CBP verarbeitet werden.

Im Modul technische Enzyme und Fermentation hat der Generalunternehmer eine europaweit einmalige Multifunktionsanlage für biotechnologische Fermentationen aufgebaut. Kernstück sind Bioreaktoren unterschiedlicher Größe, mit denen sich Produktionsschritte von 10 Litern Reaktorinhalt auf einen größeren Maßstab über 100 l und 1.000 l bis auf den industriell relevanten Maßstab von 10.000 l hochskalieren lassen. „Technisch ist das oft ein ganz anderer Prozess als im Labormaßstab“, sagt Gerd Unkelbach, der die Projektgruppe am Fraunhofer CBP leitet. Für die Aufarbeitung der Mikroorganismen und ihrer Produkte stehen Zellseparatoren, Homogenisatoren, Mikro- und Ultrafiltration, Kristallisation, Gefrier- und Sprühtrockner oder Chromatographiesäulen zur Verfügung. „Von großem Vorteil ist, dass die gesamte Anlage je nach Aufgabenstellung flexibel einsetzbar ist, indem die verschiedenen Apparate beliebig miteinander verbunden werden können“, erläutert Unkelbach. Ein Projekt ist die Herstellung von Meerrettich-Peroxidase, die in zahlreichen diagnostischen und immunologischen Tests eingesetzt wird.

(dw)

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