Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
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.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Biomasse Roggenstroh wurde zun\u00e4chst hydrothermisch durch hoch erhitztes Wasser (200 \u00b0C) bei 50 bar in einem Festbettreaktor aufgeschlossen. Dabei wurden keine weiteren Chemikalien (wie z. B. Schwefels\u00e4ure oder Natronlauge) verwendet, um Umweltbelastungen zu vermeiden. Au\u00dferdem 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 w\u00e4ssrigen Phase gel\u00f6st vor. Die Cellulose befand sich im Feststoffr\u00fcckstand. 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, w\u00e4hrend 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.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die thermische Hydrolyse des Substrats Roggenstroh wurde erfolgreich durchgef\u00fchrt. Dabei hat die Temperatur den gr\u00f6\u00dften Einfluss auf die Verfl\u00fcssigung des Substrats. Es zeigte sich, dass die Ausbeuten der Zuckermonomere bei Behandlungsintensit\u00e4ten von 210-230 \u00b0C am h\u00f6chsten sind. H\u00f6here Intensit\u00e4ten f\u00fchren zum Abbau von Glukose und Xylose und zu unerw\u00fcnschten Produkten wie Furfural und Hydroxymethylfurfural (HMF). Ein Festbettreaktor wurde in Betrieb genommen, der eine optimale thermische Vorbehandlung gew\u00e4hrleistet. 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 f\u00fcr 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 ausgew\u00e4hlten Pentose-fermentierenden Hefen Xylose zu Ethanol umsetzen. Pichia stipitis ist dabei am besten geeignet. Untersuchungen zum Abbau der Zuckermonomere zeigten, dass w\u00e4hrend der Co-Fermentation von Saccharomyces cerevisiae mit den Xylose-fermentierenden Hefen Glukose und Xylose zu Ethanol fermentiert werden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
1.\tBrunner 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<\/p>\n
2.\tSchacht 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<\/p>\n
3.\tZetzl 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<\/p>\n
4.\tRogalinski 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<\/p>\n
5.\tBrunner 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<\/p>\n
6.\tKatzer M, St\u00f6\u00dfer N, Minow B, Antranikian G: Microbial community genomics (Microcomgenomics) for discovery of novel cellulases. Poster VAAM Tagung, Osnabr\u00fcck, 01.-04.04.2007<\/p>\n
7.\tPiela B, Antranikian G: Novel thermoactive cellulases from the anaerobic thermophilic bacteria Anaerobranca gottschalkii and Fervidobacterium gondwanense. Vortrag VAAM Tagung, Osnabr\u00fcck, 01.0-04.04.2007<\/p>\n
8.\tBockem\u00fchl V, Rogalinski T, Ingram T, Popper L, Brunner G, Antranikian G: Bioconversion of rye straw at elevated temperatures. Poster VAAM Tagung, Frankfurt, 09.-11. M\u00e4rz 2008 (VAAM Posterpreis)<\/p>\n
9.\tM\u00fcller K, Piela B, Bockem\u00fchl V, Antranikian G: Bioethanol production from rye straw by Pichia stipitis. Poster VAAM Tagung, Frankfurt, 09.-11.03.2008<\/p>\n
10.\tRogalinski T., Ingram T., Zetzl C., Bockem\u00fchl V., Antranikian G., Brunner G.: Aufschluss von Lignocellulose mit hei\u00dfem Wasser, CO2 und Enzymen (Lecture). High Pressure meets Advanced Fluids (DECHEMA), Aachen, Germany 2008<\/p>\n
11.\tIngram T., Rogalinski T., Bockem\u00fchl V., Popper L., Antranikian G., Brunner G.: Combined Thermal and Enzymatic Saccharification of Lignocellulosic Biomass (Poster). International Congress on Biocatalysis (Biocat), Hamburg, Germany 2008<\/p>\n
12.\tRogalinski T, Ingram T, Zetzl C, Bockem\u00fchl V, Antranikian G, Brunner G: Aufschluss von Lignocellulose mit hei\u00dfem Wasser, CO2 und Enzymen. Poster ProcessNet-Jahrestagung, Karlsruhe 07.-09.10.2008 (ProcessNet Posterpreis)<\/p>\n
13.\tRogalinski 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<\/p>\n
14.\tBockem\u00fchl V, Ingram T, Rogalinski T, Popper L, Brunner G, Antranikian G: Bioconversion of rye straw at elevated temperatures. Poster Biorefinica 2009, Osnabr\u00fcck, 27.-28.01.2009<\/p>\n
15.\tBockem\u00fchl 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<\/p>\n
16.\tIngram T., Rogalinski T., Bockem\u00fchl 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<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Mit dem vorliegenden Verfahren und den eingesetzten Enzymsystemen konnte Roggenstroh effizient hydrolisiert und f\u00fcr die alkoholische G\u00e4rung eingesetzt werden. W\u00e4hrend 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 Prozessf\u00fchrung zur Gewinnung werthaltiger Zucker und naturbelassenen Lignins aus Roggenstroh-Lignocellulose) die Wertsch\u00f6pfung 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) fr\u00fchzeitig aus dem Verfahrensprozess zu eliminieren und sie als wirtschaftlich wertvolle Bestandteile zu gewinnen. Dieser \u00f6konomisch relevante Aspekt der Nebenprodukte blieb im Vorg\u00e4ngervorhaben (AZ 13157) v\u00f6llig unber\u00fccksichtigt. F\u00fcr eine technische und industrielle Umsetzung jedoch wird es unbedingt notwendig sein, genau dieser Fragestellung nachzugehen, um den Gesamtprozess \u00fcberhaupt wirtschaftlich umzusetzen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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