Innovationspfad 1: Fermentative Produktion biobasierter Grundstoffe

Der erste Innovationspfad umfasst die Produktion biobasierter Grundstoffe bzw. Plattformchemikalien (Precursor) auf Basis von verfügbaren Reststoffen aus Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion. Dabei sind wissenschaftliche und technische Herausforderungen in den Bereichen Biomassevorbehandlung, Fermentationstechnik und Bioverfahrenstechnik zu bewältigen. In der Konzeptentwicklung wurden verschiedene Reststofffraktionen identifiziert, die aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung sowie aktueller Verwertung und Verfügbarkeit für eine höherwertige stofflich/energetische Nutzung in Frage kommen. Dies umfasst Reststoffe und Koppelprodukte der landwirtschaftlichen Produktion wie Stroh und weitere lignifizierte Biomassen, Produktionsreste der Lebensmittel- und Getränkeproduktion sowie Abfälle und Erntereste der Gemüseproduktion.

Für eine effiziente und wirtschaftlich sinnvolle Nutzung dieser Ausgangstoffe sind zentrale Hemmnisse bei der reststoffbasierten fermentativen Gewinnung von Zielmolekülen zu überwinden. Dies betrifft insbesondere die kosten- und energieintensive Vorbehandlung der Biomassen sowie geringe Erträge bei der Fermentation infolge von Hemmstoffen, unerwünschten Neben­pro­duk­ten und Endprodukthemmung. Hierzu müssen Kompetenzen der thermischen Ver­fahr­ens­tech­nik, der chemischen und enzymatischen Hydrolyse sowie der Bioverfahrenstechnik kombiniert werden.  Für effiziente Fermentationsverfahren mit hohen Umsatz- und Produktivitätsraten sollten zudem neue Mikroorganismen isoliert und optimiert werden. Weiterhin umfasst der Entwicklungspfad notwendige verfahrenstechnische Entwicklungen im Bereich der Down­stream­pro­zesse, um die Zielprodukte in den erforderlichen Konzentrationen, Qualitäten und Reinheiten für die industriellen Folgeprozesse bereitstellen zu können.

Besonders attraktive Zielprodukte sind bifunktionelle Moleküle wie Bernsteinsäure, Butandiol und Propandiol. Diese bilden das Polymergerüst verschiedener technisch und wirtschaftlich aussichtreicher biobasierter Polymere (PBS, PEF oder PLA). Weitere attraktive Zielprodukte sind biobasierte Chemikalien mit breiten Einsatzspektren wie Biobutanol (Lösungsmittel, alter­na­tiver Treibstoff, Grundstoff für Polymerchemie). Die fermentative Gewinnung erfolgt bei allen Zielprodukten auf der Basis von fermentierbaren Zuckern, welche aus verschiedenen Reststofffraktionen gewonnen werden können. Hierfür kommen sowohl stärkereiche Teig– und Backwarenabfälle als auch aufgeschlossenes Getreidestroh in Frage. Beim Einsatz dieser Reststoffe für eine ABE-Fermentation (Aceton-Butanol-Ethanol) lassen sich ca. 100 kg biobasierte Lösungsmittel aus einer Tonne Abfallstoff gewinnen.

Die Produktion von Bernsteinsäure und weiterer Plattformchemikalien auf Basis von Stroh ist ein weiteres vielversprechendes Beispiel für reststoffbasierte Fermentationsverfahren. Zusätzlich gewonnenes Biomethan aus nicht fermentierter Lignocellulose kann für die benötigte Prozessenergie des thermischen Strohaufschlusses eingesetzt werden.