BioButanol

Hintergrund und Zielsetzung

Die schon früher etablierten Prozesse zur biotechnischen Butanolherstellung arbeiteten fast ausnahmslos mit Melassen. Da der Zuckergehalt von Melassen aufgrund besserer Technologie immer weiter sank und die Preise gleichzeitig stiegen, konnte das biotechnische Verfahren nach dem 2. Weltkrieg nicht mehr mit der chemisch-synthetischen Route konkurrieren. Die letzten noch laufenden Anlagen (Südafrika, Russland) wurden in den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts aus ökonomischen Gründen abgeschaltet.

Hauptziel war es, einen generellen ökonomischen Beurteilungsrahmen für die stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe in Deutschland zu schaffen und diesen Rahmen exemplarisch auch für die Analyse der Wertschöpfungskette Butanol einzusetzen.

Vorgehensweise

Um die komplette Wertschöpfungskette vom Ausgangssubstrat bis zum marktfähigen Produkt untersuchen und bewerten zu können, verteilten sich die Forschungsarbeiten auf vier Schwerpunkte: Rohstoffbereitstellung, Konversion, Produktisolierung und Aufarbeitung sowie ökologische und ökonomische Untersuchungen. Das Vorhaben gliederte sich entsprechend dieser Vorgaben in 4 Aufgabenbereiche:

1. Roh- und Reststoffaufschluss, sowie Produktaufarbeitung
2. Biotechnische Konversion inkl. gentechnischer Arbeiten (Screening, Stammentwicklung, Stoffwechseloptimierung, Fermentation)
3. Nachhaltigkeitsbewertung und Ökobilanzierung
4. Ökonomie

Die ökonomischen Analysen waren bereichsübergreifend entlang der kompletten Wertschöpfungskette positioniert. Entsprechendes gilt für die Analytik.

Unsere Forschungsfragen

Es geht um die Optimierung eines integrierten Prozesses zur Herstellung von Butanol aus Nachwachsenden Rohstoffen. Aufgrund der hohen Toxitzität des Produktes Butanol ist die erreichbare Endkonzentration auf etwa 16g/L begrenzt: Wie lässt sich trotzdem ein wirtschaftlicher Prozess etablieren?

Ergebnisse

Für die biotechnische Herstellung von Butanol werden Zuckerkonzentrationen über 60 g/L benötigt. Um die Prozesskosten gering zu halten und um eine Konkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion zu vermeiden, wurde der Ernterückstand Weizenkaff als Rohstoff untersucht, der nach optimaler Vorbehandlung und Hydrolyse zu  Zuckerkonzentrationen von 80 g/L führte. Die gentechnischen Arbeiten konzentrierten sich auf Typisierung der bakteriellen Stämme und  Optimierung des Produktspektrums. Während die gentechnischen Entwicklungs- und Konstruktionsarbeiten erfolgreich abgeschlossen wurden, gelang es nicht, die physiologische Funktion, also Ausschalten der Aceton­-Bildung zugunsten einer höheren Butanol-Konzentration eindeutig nachzuweisen.

Die Fermentationskosten lassen sich durch Medienoptimierung gesenkt senken. Das Nebenprodukt Wasserstoff spielt im Stoffwechsel von Clostridium saccharoperbutylacetonicum eine wichtige Rolle. Die Aufrechterhaltung eines bestimmten Wasserstoffpartialdruckes ist offensichtlich essentiell für einen reproduzierbaren Prozess. Weiterhin wurden Substrate wie Zuckerrübe und Weizenkaff-Hydrolysat erfolgreich für die Butanol-Fermentation eingesetzt. Zur Produkt-Abtrennung wurden mit dem bioverträglichen Extraktionsmittel Isofol 12 (Kv=5) und der Adsorber Aktivkohle Norit PK 1-3  mit einer Beladung von 126 mg/g die besten Ergebnisse erzielt. Die Online-Abtrennung aus der Fermentation konnte mit Isofol®12 erfolgreich durchgeführt werden. Hier gibt es allerdings noch weiteren Optimierungs- und Forschungsbedarf. Die Wirtschaftlichkeit des ABE-Prozesses hängt stark vom Rohstoffpreis und der Vermarktung der Nebenprodukte ab. Die Wahl der Rohstoffe für die Fermentation und der Energiebedarf  zur Abtrennung des Butanols und der anderen Produkte bestimmen die Umweltwirkung von Bio-Butanol. Da es sich bei den Rohstoffen und Produkten in der Regel um geringwertige Massengüter handelt, haben Lagerung und Transport einen bedeutenden Einfluss auf die Preise. Unter den gegenwärtigen Bedingungen erscheint die biotechnische Erzeugung von Butanol aus nachwachsenden Rohstoffen im Vergleich zur Synthese aus fossilen Quellen weder ökonomisch noch ökologisch konkurrenzfähig.