BioQED – Quod Erat Demonstrandum: Fermentative Herstellung und Scale-up für die Produktion von 1,4-Butandiol und Itakonsäure mit dem Ziel der Kostenreduktion und verbesserten Nachhaltigkeit

Europa bereitet sich auf die Umstellung von einer fossilen zu einer biobasierten Ökonomie vor. Diese europäische Bioökonomie ermöglicht umfassende Antworten auf die momentan wichtigsten sozialen Herausforderungen, wie in dem EC Strategie‑ und Aktionsplan „Innovating for Sustainable Growth: A Bioeconomy for Europe“ dargelegt ist. Dazu gehören die Erschaffung und der Erhalt von Arbeitsplätzen, der Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit der Prozessindustrien, die Anpassung an den Klimawandel, die Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen und mit der »mehr mit weniger« Strategie auch eine Verringerung der Abhängigkeit von nachwachsenden Rohstoffen die für die Lebensmittelindustrie benötigt werden.

In diesem Rahmen wurde eine Arbeitsgemeinschaft gebildet, um den Nachweis der Machbarkeit industrieller Produktionsanlagen zu festigen. Damit verbunden ist die Aufstellung aller technischen/ökonomischen Schlüsselparameter, die für Investitionsentscheidungen über die ersten industriellen Produktionsanlagen zur Herstellung der bio‑basierten Produkte 1,4‑Butandiol (BDO) und Itakonsäure (IA) benötigt werden. Die Projektpartner decken die komplette Wertschöpfungskette für beide Chemikalien ab und sollen so von der Forschung in die industrielle Anwendung überführt werden.

Die Arbeitsgruppe »Biotechnologische Verfahren« des Fraunhofer CBP beschäftigt sich hierbei mit der Auswahl geeigneter Rohstoffe der zweiten Generation sowie der Herstellung von Zuckern aus diesen Rohstoffen und den damit verbundenen Toxizitätstest für die mikrobiologische Verwertung. Weiterhin sollen in Zusammenarbeit mit den Partnern Fermentationen zur Produktion von IA mit den ausgewählten Rohstoffen im Labormaßstab entwickelt und am Fraunhofer CBP in den Pilotmaßstab skaliert werden. Eine ebenso große Rolle spielt hierbei der nachgeschaltete Downstream‑Prozess zur Gewinnung von aufgereinigten Produkten.

Aufgrund der umfassenden Möglichkeiten und der Komplexität wird erwartet, dass dieser Wandel mindestens ein bis zwei Jahrzehnte dauern wird. Die gegenwärtige Ausgangsposition für Europa bei der biotechnologischen Produktion von wertvollen Chemikalien aus nachwachsender Biomasse ist sehr gut. So hat Europa hier eine führende Rolle im Bereich der Forschung innerhalb der industriellen (weißen) Biotechnologie. Darüber hinaus zeichnet sich Europa durch die globale Spitzenposition seiner Chemie‑ und Lebensmittelindustrie und die fortschrittliche logistische Infrastruktur aus. Dennoch besteht ein dringender Bedarf an der wirtschaftlichen Erschließung der Forschungsergebnisse für industrielle Prozesse, um diese Spitzenposition nicht an schneller agierende konkurrierende Ökonomien zu verlieren.

Das Projekt »Bio‑QED« konnte 2017 mit der Demonstration der Itaconsäurefermentation im 10‑m³‑Maßstab und anschließender Aufarbeitung mittels kontinuierlicher Kristallisation zu mehreren hundert Kilogramm Itaconsäure erfolgreich abgeschlossen werden.

Demonstrationsworkshop zur fermentativen Carbonsäureherstellung

Im April 2017 organisierte das Fraunhofer IGB und sein Institutsteil am Fraunhofer CBP zusammen mit dem Verein Deutscher Ingenieure (VDI) einen Demonstrationsworkshop in Leuna für Vertreter aus Forschung und Wirtschaft sowie Studierende. Im Mittelpunkt des Workshops stand die Vorstellung des Projekts »Bio‑QED«, insbesondere der Itaconsäure‑Wertschöpfungskette. Abgerundet wurde der Workshop durch einen Rundgang durch die Pilotanlagen des Fraunhofer CBP und ein Get‑together zur Diskussion aktueller Themen aus Forschung und Entwicklung der Bioökonomie.