Institut für Agrartechnologieund Biosystemtechnik
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Perspektiven der stofflichen Nutzung nachwachsender
RohstoffeRohstoffe
Klaus-Dieter VorlopJohann Heinrich von Thünen-Institut (vTI)
Institut für Agrartechnologie und [email protected]
++49(0)531 596-4101
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Zukunft unserer fossilen Vorrätem
iert
Kohle Öl?
1 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Men
ge, n
orm
CO2
Gas
Diverse Quellen
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000
Zeitskala
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VersorgungssicherheitBedeutung für die stoffliche Nutzung von NWR
Erdöl u. Erdgas
2 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
1900
NWR
20001950 21002050
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VersorgungssicherheitBedeutung für die stoffliche Nutzung von NWR
Erdöl u. Erdgas
3 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
1900
NWR
Problem: Verfügbarkeit von Phosphatdünger
20001950 21002050
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Landnutzung in Deutschlandaktuell
Gesamtfläche: 35.7 Mio. haWald30%
diverse2%
Wasser2%
Nahrung, Futtermittel47%
4 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
NachwachsendeRohstoffe
ca. 2 Mio. ha6%
Agrarfläche53 %
Quelle: Statistisches Bundesamt Berlin, FNR, eigene Schätzungen
Bebaute Fläche13%
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Landnutzung in Deutschland 2100?Umstellung auf vegetarische Ernährung
Nahrung25%
Wald30%
Diverse2%
Wasser2%
Gesamtfläche: 35.7 Mio. ha
5 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Agrarfläche53 %
NachwachsendeRohstoffe
ca. 10 Mio. ha28%
Bebaute Fläche13%
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Produkte aus PflanzenAufwand und Wertschöpfung
Wertschöpfung, Arbeitskräfte
Produkte
6 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Veredelungsgrad
Wärme
Strom
Treibstoffe
ChemischeGrundstoffe
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Zucker, StärkeBeispiele
Saccharose
Produkte Ethanol, Butanol Aceton 2,3-Butandiol Palatinose
7 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Stärke/Glucose
Inulin/Fructose
Stärke-/Zuckerpflanzen
Palatinose Organische Säuren
Itaconsäure Bernsteinsäure Hydroxypropionsäure Zuckersäuren
Erythrit/Erythrulose DFA III HMF ...
Reststoffe, Abfall
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Erythrit-HerstellungBiokonversion
ErythritZuckeraustauschstoff
Chemierohstoff
Pilze OH
OH
OHOH
GlucoseC
OH
H
HO
H
H
H
OH
OH
OH
C
C
C
C F t ti
8 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Saccharose
ThreitZuckeraustauschstoff
Pharmazeutika
BakterienOH
OH
OHOH
H OHC
CH OH2
Fermentation
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COOH
OH
H
OH
OH
H
H
CH2OH
O O
HH
OH
OH
H
OH
H
CH2OH
Chemikalien Zuckersäuren
COHO
H
H
OH
OH
OH
C
C
C
CH2 OH
H
COHO
H
H
OH
OH
OH
C
C
C
CH2 OH
HLactobionsäure
Ribonsäure
Xylonsäure
CH2OHCH2OH
COHO
H
H
OH
H
OH
C
C
C
HO
COHO
H
H
OH
H
OH
C
C
C
HO
9 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
COHO
H
HO
H
H
OH
OH
OH
C
C
C
C
CH2 OH
H
COHO
H
HO
H
H
OH
OH
OH
C
C
C
C
CH2 OH
H
COHO
H
HO
H
H
OH
H
OH
C
C
C
C
CH2 OH
HO
COHO
H
HO
H
H
OH
H
OH
C
C
C
C
CH2 OH
HO
Gluconsäure
Maltobionsäure
GalactonsäureCellobionsäure
O O
HH
OH
OH
H
H
OH
CH2OH COOH
OH
H
OH
OH
H
H
CH2OH
OHH
CH2OH
OOH
H
H
OH
COOH
O H
H
OH
OH
H
H
OH
CH2OH
CH2 OHCH2 OH
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Zucker
Herstellung von ZuckersäurenOxidation an Gold-Katalysatoren
Milch T = 40-60°CpH = 7-9
10 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus DüsseGlucose
Gluconsäure
geträgerterGoldkatalysator
COH
H
HO
H
H
H
OH
OH
OH
C
C
C
C
CH OH2
COOH
H
H
H
H
OH
OH
OH
C
C
C
C
CH OH2
HO
Wasch- und ReinigungsmittelKosmetika, Pharmaka
Präbiotika
O OH
HH
OH
OH
H
H
CH 2OH
O O
H
OH
OH
H
OH
H
CH 2OH
Lactobionsäure
StärkeHolz
Lactose
COOH
OH
H
OH
OH
H
H
CH2OH
O O
HH
OH
OH
H
OH
H
CH2OH
4,2 t Na-Gluconat pro Gramm Gold(Goldkosten: 0,35 €-Cent pro kg Na-Gluconat)
Patent: u.a. EP 1912739 A1Ausbeuten > 99 %
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Geträgerte Gold-KatalysatorenOxidation anderer Kohlehydrate: Katalysatorvergleich
0.45% Au/TiO 4.6% Pd/AlO 5% Pt/AlOSelAkt Akt AktSel Sel
Xylose 121 699 80>99.5Lyxose 36 295 90>99.5Ribose 1415 469 81>99.5Arabinose 1024 1069 88>99.5
Kohlenhydrat
11 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
N-Ac-Glucosamin 026 1- 76>99.5Glucose 1556 596 83>99.5Rhamnose 113 599 88>99.5Mannose 920 551 68>99.5Galactose 1834 795 72>99.5
Melibiose 19 281 94>99.5Maltose 654 596 91>99.5Lactose 218 298 90>99.5Cellobiose 150 599 87>99.5
Akt = Aktivität (mmol min-1 gMetall-1) Sel = Selektivität zur Aldonsäure (%)
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Bereich Chemie/KatalyseKontinuierliche Glucoseoxidation
500
• kontinuierlicher Rührkessel
• 0,25 % Au/Al2O3 als Pulverkatalysator
• Kat-Rückhaltung durch Ultraschallseparator
12 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
0 10 20 30 40 50 60 700
100
200
300
4004,2 t Na-Gluconat pro Gramm Gold(Goldkosten: 0,35 €-Cent pro kg Na-Gluconat)
Versuchszeit / Tage
spez
. Akt
ivitä
t / m
mol
min
-1g A
u-1Produkt
Feed
Reaktionsbedingungen: Reaktorvolumen: 750 mL Katalysator: 2 g/L (ØKat = 25 - 63 µm) pH: 9 (Titration mit NaOH) O2-Fluss: 500 mL/min (1 bar) T: 40 - 60 °C c0(Feed): 250 - 1500 mmol/L
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Gold-katalysierte Kohlenhydratoxidation
2003 – 2008: Labor- Katalysatorentwicklung- Prozessentwicklung
2007 2008 Pil t h
Industrielle Umsetzung Pilotreaktor in Offstein
13 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
© Südzucker AG
2007 – 2008: Pilotphase- Laborresultate bestätigt- industrielle Machbarkeits-studie erfolgreich
2010 …- Demonstrationsanlage- Kapazität bis 1000 t/a
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Biotechnisch erzeugte Itaconsäure Stand der Technik-Mikroorganismus
Zucker, Stärke, Xylose(Glucose)
Fette/ÖleGlycerin
14 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Itaconsäure
Aspergillus terreusPseudozyma antarctica
Hefen ?Yarrowia lipolytica?
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Vergleich der Citronensäurefermentation und Itaconsäurefermentation
80
100
120
140
160Citronensäure
Industriell
Itaconsäure10 l Biostat E
trat
ion
[g/l] Ergebnisse
200 g/l Citronensäure
86,2 g/l Itaconsäure
15 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Zeit [h]0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0
20
40
60ItaconsäureSchüttelkolben
Kon
zent
, g
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DFA III-HerstellungEinsatz eines immobilisierten Enzyms
Zichorie
16 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
O
OH
OH
OH
CH2OH
OO
CH2
CH2OH
OH
OH
OO
CH2OH
OH
OH
CH2OHn
CH2OH
O
O
CH2 OH
O
OH
OH OHCH
2 OH
O
Topinambur
Inulin DFA III
immobilisierteInulase II
(Biokatalysator)
1. Chemierohstoff2. Zuckeraustauschstoff
(präbiotische Wirkung)
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65 Proben auf Selektivmedium (30, 45, 60°C, aerob, anaerob)
> 400 Stämme auf DFA-III-Bildung getestet
4 Stämme bilden DFA III
100
Screening-Resultate
Stamm Buo141
17 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Arthrobacter spec., Risikoklasse L1
0
20
40
60
80
2050 10 15 25
rel.
Akt
ivitä
t / %
t / h
Buo141 istbei 60°C stabil
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genomische DNAgenomischeE. coli DNA
Arthrobacter Bu0141 E. coli pMSiftPH
Ergebnis gentechnischer Arbeiten
18 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
gezielteRegulationift-Gen
ift-Gen im Plasmid
extrazellulärethermostabile Inulase
intrazellulärethermostabile Inulase
Genexpression
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Hin
d III
Pst
I
Bam
H I
Bam
H I
Bam
H I
Inulase IISignalpeptid
pMSiftPH 3.000 U/L477 ASlac Promotor
Enzymdesign & Plasmid-Optimierung
19 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
pMSiftExo326 70.000 U/L431 ASschrittweise Deletion mit Exonuclease
pMSiftOptWT 320.000 U/L418 ASexakte Entfernung des Signalpeptids
pMSiftOptR 435.000 U/L418 ASPunktmutation durch error-prone-PCR (Glycin zu Arginin)
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Fermentation von E. coli XL1-blue mit pMSiftOptR
preiswertes Medium
BTM-Gehalt 12 g/L
Gesamtaktivität 1,76 Mio U/L(Wildstamm: ca. 0,02 Mio U/L) n / Zellen/mLA
/ U/L
DFA III-HerstellungFermentation des Produktionsstammes
5,0·1012
1,0·1012
1,5·1012
2,0·1012
2,5·1012
400.000
800.000
1.200.000
1.600.000intrazelluläre AktivitätAktivität im ÜberstandZellzahl (n)
Aktivität [U/L] Zellzahl [mL-1]
20 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
nachfolgend ...
Homogenisierung der Zellen
Klärung des Überstandes
Immobilisierung des Enzymsc/ g/L
Biomasse
/ g/L
2
0 2 4 6 8 10 12
00
0
1
2
3
4 Glycerin
0
2
4
6
8
10AcetatBiomasse (BTM)
Zeit [h]
Konz. [g/L] BTM [g/L]
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“Enzymflocken”
• natives Enzym ist zu klein für direkten Gel-Einschluss
• Ausflockung durch Reaktion mit Chitosan und Glutardialdehyd
• Enzym aus Buo141 wird durch Glutardialdehyd nicht geschädigt
ImmobilisierungMolekulargewichtsvergrößerung
21 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
EnzymQuervernetzung Gelierung
mit Calcium
HydrogelAlginatlösung
kovalenter Vernetzerund “Spacer”
Substrat
Enzymflocken
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ImmobilisierungBeispiele für Einschluss-Immobilisate
Einzelzelle
Folie
WürfelPartikel
HohlfaserFaser
22 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Hohlkugel LinseAufsicht
Querschnitt
Folie
Kugel
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JetCutter™-VerfahrenFunktionsprinzip
23 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
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JetCutter™-VerfahrenSchneidwerkzeug und Produktion
24 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Schneidwerkzeug Produktion
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optimale Einstellung fast keine Spritzverluste
JetCutter™-Verfahren Minimierung der Spritzverluste
25 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
schlechte Einstellung hohe Spritzverluste
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JetCutter™-VerfahrenPerlen auf Basis von Hydrogelen
Alginat
Zirkonoxid
26 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Gelatine
Polyvinylalkohol
Chitosan
Aluminiumoxid
Pektinat
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PalatinoseÜbersicht
Saccharose
PalatinoseProtaminobacter rubrum(immobilisierte Zellen)
80 – 85 %
27 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
H2/Kat
Palatinit
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Palatinose-HerstellungBiokonversion
28 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
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Biokonversion nachwachsender RohstoffeBiokonversion nachwachsender RohstoffeEthanol
Stärke(Getreide, Mais)
Zucker, Melasse(Z k üb Z k h )
Treibstoffzusatz
CO2
29 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Fermentation
Ethanol
Cellulose, Hemicellulose(Holz, Stroh,Abfallbiomasse)
(Zuckerrübe, Zuckerrohr)
Koppelprodukt: FuttermittelProzessenergie aus
Stroh (Verbrennung) oderBiogas
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Biotreibstoff,Chemierohstoff
Weizenx 10
Immobilisat
BioBio--EthanolEthanolHerstellung mit immobilisierten Zellen
30 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Zuckerrübe
Stärke, Saccharose
immobilisierteHefen oder Bakterien
EthanolO CH2 CH3H
OHOH2C
HO OHO
O
O
OH
OHOH2C
HO OHO
OHOH2C
HO OHO
OH2C
HO OHO O
OHO
HO
O
O
OH
CH2OHOH HO
CH2HO
CH2HO
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Ethanol-Fermentation: BiokatalysatorHefen oder Bakterien?
freie Zellen immobilisierte Zellen
Mikroorganismus Produktivität[kg EtOH/(m3·h)]
Produktivität[kg EtOH/(m3·h)]
31 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
HefeSaccharomyces
cerevisiae0,5 – 2 10 - 30
BakteriumZymomonas mobilis
4 - 5 50 - 80
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Ethanol ProduktionKonventionell oder mit immobilisierten Zellen
Melasse,Nährstoffe
Biomasse-Rückführung
Konventionelle Fermentation
6 x 200 m3
Separator
Ethanol
32 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Vorratstank
Prozess Auslegungmit immobilisierten Zellen
3 x 60 m3
Separator (kleiner)
Vorratstank
Ethanol
Kapazität: 17,000 t/a
Melasse,Nährstoffe
Institut für Agrartechnologie
und Biosystemtechnik
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Ethanol ProduktionPilotanlage, immobilisierte Zellen, 3-stufig
33 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
© BMA-Braunschweig
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ImmobilisierungBeispiel: Linsenherstellung (LentiKats®)
Zellen
einzelne Zellen
34 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Polymerlösung
mischen Auftropfen und
Gelierung(15-30 min)
kleine linsenförmigeHydrogele mit
eingeschlossenen Zellen
3 - 4 mm
200 - 400 µm
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Produktion von LentiKats®
Scale-Up der kontinuierlichen Produktion
Luftkühlung
•Polymer-/•Biokatalysator-•Mischung
DüsenstockWischer
•Adsorptions-•Trockner
35 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Prototyp im Institut
Industrie-Anlage
Fließband
Pumpe
Stabilisierungsbad
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Biokonversion nachwachsender RohstoffeBiokonversion nachwachsender RohstoffeEthen aus Biomasse (z.B. Brasilien, Indien)
Stärke
EthanolZucker EthenChemikalienK ff
Fermentation
H20
36 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Cracking
EthanolZucker
Erdöl, Erdgas
Ethen(Ethylen)
Kunststoffe
H2C = CH2
H3C – CH2OH
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Ethanol - Wertschöpfungskette
Biomasse
C2: Bioethanol
Ethylen
C3: Propandiol
Polyethylen
Butadien ...
Lösungsm.
37 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
C4: Butanol
p
Polymere
Polyethylenglycol
Vinylacetat
PVC
Ethylenbenzol Monomer
Vinylchlorid
Ethylen-oxid/Glycol
Verschiedene
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Ethanol-FolgechemieÜbersicht über zugängliche Produkte
Produkt Reaktion Katalysator Gewicht StatusEssigsäure Oxidation (g) Metalle (z.B. Au) + 30 % Lit
Ethylenoxid (EO) Dehydrierung Metalle (z.B. Au) - 4 % Lit
Glykol EtOHEOGlykol Metalle & Säure/Base
+ 35 % Möglich
38 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Ethylen Dehydratisierung (feste) Säuren - 40 % Lit
Aromaten Oligomerisierung (feste) Säuren - 40 % Lit
Kohlenwasserstoffe Oligomerisierung (analog MtG)
(feste) Säuren - 40 % Möglich
BuOH / Alkohole Oligomerisierung Säure/Base - 20-30 % Lit
Propionsäure Carbonylierung Co/Rh & Iod + 60 % Denkbar
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H3C-(CH2)m-OH + PolyethylenglycolFettalkohol Oxidations-
Reaktoren
Herstellung innovativer Waschmittel Oxidation an Gold-Bimetallkatalysatoren
Ethanol
Ethylen
Ethylenoxid
39 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
H3C-(CH2)m-(O-CH2-CH2)n-OH
H3C-(CH2)m-(O-CH2-CH2)n-1-O-CH2-COOH
Fettalkohol-Ethoxylat (nicht-ionisches Tensid)
Entsprechende Carbonsäure (anionisches Tensid)m = 12-14, n = 5
Reaktoren
Patent: u.a. WO 2009/087086 A1
Au/Pt, O2, OH-
Ausbeuten > 99 %
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Zukunftsprozesse Lignocellulose
Glucose
Xylose
Produkte (vTI)
Ethanol
Butanol
2 3 B t di l
40 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Lignin
Lignocellulose
Aufschluss? Futtermittel
Reststoff & Abfall
2,3-Butanediol
...
...
...
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ButanolButanol--SyntheseSyntheseABE-Fermentation (Aceton, Butanol, Ethanol)
Stärke(Getreide, Mais)
ABETreibstoffzusatzReststoffe
15-20% Aceton
41 09.03.2011 Landwirtschaftszentrum Haus Düsse
Cellulose, Hemicellulose(Holz, Stroh, Abfallbiomasse)
FermentationClostridium spp.
70-80% Butanol
5-10% Ethanol
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