Neuland

Auf dem Holzweg in die Zukunft

Professor Dr. Christoph Syldatk will mit innovativer Biotechnologie Biomasse als Alternative zu Erdöl rentabler machen. Dabei setzt er gezielt auf die Nutzung von Rohstoffen, die nicht in Konkurrenz zu Lebens- oder Futtermitteln stehen.

Nicht zu Unrecht trägt Erdöl den Namen „Schwarzes Gold“. Der fossile Rohstoff ist der wichtigste Energielieferant weltweit und bildet, weiterverarbeitet zu Kunststoff, die Grundlage unzähliger Alltagsgegenstände. Doch so wirtschaftlich seine Nutzung auch sein mag, so groß sind ebenfalls die Gefahren für die Umwelt, die sowohl bei der Förderung, als auch bei der industriellen Verwertung entstehen. Hinzu kommen die schwindenden Erdölvorräte bei stetig steigender Nachfrage. Immer wichtiger wird vor diesem Hintergrund die Nutzung von Biomasse, die Erdöl als Energieträger und auch als industriellen Ausgangsstoff ersetzen kann.

Aktuell werden in Deutschland vor allem stärkehaltige Pflanzen wie Mais oder Zuckerrüben, aber auch Getreideproteine oder Pflanzenöle, als Biomasse eingesetzt. Bei steigendem Bedarf ist eine Nutzungskonkurrenz zwischen dem Energiesektor sowie der Lebens- und Futtermittelindustrie jedoch unvermeidbar. „Am Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik konzentrieren wir uns daher auf Prozesse, welche die Nutzung sogenannter biobasierter Rohstoffe der zweiten Generation vereinfachen – also Rohstoffe, die nicht in Konkurrenz zu Lebensmitteln stehen“, erklärt Prof. Dr. rer. nat. Christoph Syldatk. Als Leiter des Teilinstitutes für Technische Biologie ist es ihm wichtig, mithilfe modernster Biotechnologien einen Beitrag für die nachhaltige Energie- und Rohstoffversorgung zu leisten.

Ein bisher zur Produktion von Grund- und Feinchemikalien kaum genutzter Rohstoff, der in großen Mengen anfällt und aufgrund seiner geringen Kosten auch ökonomisch eine gute Alternative zu fossilen Rohstoffen darstellen kann, ist Lignocellulose. Das Polymer ist Hauptbestandteil der Zellwände verholzter Pflanzen und kann als Substrat aus Reststoffen und Abfällen der Land- und Forstwirtschaft, beispielsweise aus Stroh, Grünschnitt oder Sägespänen, gewonnen werden. Die darin enthaltenen Zuckerbausteine eignen sich als Substrat zur Kultivierung von Mikroorganismen z.B. für die Herstellung von Biotensiden oder Bioethanol, das wiederum die Grundlage für die chemische Herstellung vieler Folgeprodukte und biobasierter Kunststoffe bilden kann. Um Lignocellulose als Rohstoff nutzen zu können, muss diese jedoch zunächst in ihre einzelnen Komponenten, sogenannte Fraktionen, aufgetrennt werden – ein Arbeitsschritt, der aktuell noch zeitintensiv und mit hohen Kosten verbunden ist. Daher gibt es derzeit bisher nur wenige chemische Produkte, die aus Lignocellulose produziert sind. Lediglich Bioethanol wird bereits in größeren Mengen in Pilotanlagen gewonnen.

„Für die Etablierung des Rohstoffs ist eine Senkung der Produktionskosten unabdingbar. Deshalb beschäftigt sich unsere Forschungsgruppe unter anderem mit der Frage ob es möglich ist durch mikrobielle oder enzymatische Synthese, ausgehend von Lignocellulosefraktionen, neuartige Biotenside herzustellen. Diese könnten dann beispielsweise als Emulgatoren in der Kosmetik- oder der Pharmabranche eingesetzt werden“, so Prof. Syldatk.

Ziel ist es, eine nachhaltige und umweltschonende Alternative zu Erdöl zu etablieren. Deswegen müssen innovative Technologien entwickelt werden, welche die Nutzung von Biomasse auch aus wirtschaftlicher Sicht attraktiv machen.

Prof. Dr. Christoph Syldatk

Daneben wird am Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik an weiteren Verfahrensoptimierungen geforscht, etwa zum Einsatz von Mikroorganismen bei der Nutzung von Synthesegasen, die in der bioliq®-Anlage des KIT aus Stroh erzeugt werden, oder zur mikrobiellen Herstellung von Dicarbonsäuren als Kunststoffvorstufen. Prof. Syldatk legt großen Wert darauf, einen grünen Fußabdruck zu hinterlassen. Das will er auch an zukünftige Generationen junger Wissenschaftler weitergeben. So behandelt er beispielsweise in Lehrveranstaltungen das Thema „Biotechnologische Prozesse in einer zukünftigen Bioökonomie“.

Prof. Dr. Ralf Kindervater, Honorarprofessor des KIT und Geschäftsführer der BIOPRO GmbH, der Landesgesellschaft in Baden-Württemberg für die Themen Bioökonomie und Biotechnologie, Pharmazeutische Industrie und Medizintechnik, ist Lehrbeauftragter am Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik. Er hält, gemeinsam mit Dr. Detlef Schmiedl vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (Fraunhofer ITC) und Prof. Syldatk, eine Lehrveranstaltung zum Thema „Biokunststoffe“. Außerdem organisiert Kindervater mit weiteren Kollegen vom KIT und aus der freien Wirtschaft eine Vorlesung zum Thema „Kommerzielle Biotechnologie“. Kindervater dazu: „Ich begrüße es sehr, dass wir hier Hand in Hand arbeiten und neben ökologischem auch ökonomisches Wissen vermitteln können. Dabei ist es uns wichtig, dass die Studierenden lernen, wann sich biotechnologische Verfahren überhaupt anbieten und wann chemische Verfahren sinnvoller sind.“

Nicht nur das Interesse der Studierenden am Thema Bioökonomie, sondern auch die Nachfrage aus der Industrie ist groß. „Viele Anbieter stehen bereits in den Startlöchern. Doch solange die Nutzung fossiler Rohstoffe finanziell wesentlich rentabler ist, wird es dauern, bis Biomasse das ‚Schwarze Gold‘ ersetzt“, erklären Kindervater und Syldatk. „Umso wichtiger ist es uns, mit innovativen Verfahren zu zeigen, wie sich Kosten senken lassen, um einen Anstoß für eine funktionierende Bioökonomie zu geben.“

Weitere Forschungsprojekte zu Biomasse am KIT

Kraftstoff aus Mikroalgen

Ein Zusammenschluss mehrerer Institute des KIT widmet sich der energetischen Nutzung von Mikroalgen zur nachhaltigen Wertstoffproduktion, etwa der Herstellung von Biodiesel. Ziel ist es, die effizientesten und vorteilhaftesten algenbasierten Prozessketten sowie geeignete Standorte für die Algenkultivierung zu ermitteln. Mikroalgen können bis zu 5 % des Sonnenlichts in chemische Energie umwandeln und zeichnen sich durch hohe Flächenerträge und schnelles Wachstum aus.

Synthesegas und -kraftstoff aus trockener Biomasse

2013 wurde am Campus Nord des KIT die bioliq®-Pilotanlage eröffnet. Hier wird ein Verfahren entwickelt, mit dem trockene lignocellulosehaltige Biomasse in teer- und rußfreies Synthesegas umgewandelt werden kann. Es bildet die Grundlage für die Gewinnung hochwertiger und motorenverträglicher Designerkraftstoffe für Diesel- und Ottomotoren sowie chemischer Grundstoffe, wie Biokunststoff. Die Produktion beträgt über 1.000 m³ Synthesegas pro Stunde.

www.bioliq.de

Wasserstoff aus feuchter Biomasse

In der Versuchsanlage VERENA wird ein Verfahren vorangetrieben,bei dem Wasserstoff durch hydrothermale Vergasung feuchter Biomasse entsteht. VERENA ist die weltweit erste komplett ausgestattete, kontinuierlich betriebene Anlage für die Biomassevergasung in überkritischem Wasser, d.h. Wasser mit einer Temperatur von mindestens 374,12° C und einem Druck von mindestens 221,2 bar. Wasserstoff kann als Energieträger,beispielsweise für Elektroautos, genutzt werden.

Prof. Dr. rer. nat. Christoph Syldatk

Prof. Dr. rer. nat. Christoph Syldatk leitet das Teilinstitut für Technische Biologie am Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik des KIT, an das er 2003 als Professor berufen wurde. Hier ist Prof. Syldatk an verschiedenen Forschungsprojekten in den Bereichen Mikrobielle Stoffproduktion und Enzymtechnologie beteiligt, u.a. an der Herstellung von Biotensiden, die mit Mikroorganismen oder Enzymen auf Basis nachwachsender Rohstoffe wie Pflanzenöl- und Zucker produziert werden. Diese weisen einen hohen Wirkungsgrad auf und sind biologisch abbaubar. Durch die Forschung sollen die Produktionskosten gesenkt werden, damit Biotenside neben synthetischen Tensiden zum Beispiel in den Bereichen Pharmazie und Kosmetik kommerziell eingesetzt werden können.

Prof. Syldatk widmete bereits seine Promotion an der Technischen Universität Braunschweig 1984 der Produktion und Charakterisierung von Biotensiden. Anschließend war er dort als Assistenzprofessor und Forschungsgruppenleiter tätig, bevor er 1993 nach seiner Habilitation als Professor für Technische Mikrobiologie an das Institut für Bioverfahrenstechnik der Universität Stuttgart berufen wurde.

Neben seinen über 200 Publikationen zeichnet Prof. Syldatk sich durch sein Engagement in der Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie (DECHEMA) aus. Seit 2004 ist er in dieser gemeinnützigen Fachgesellschaft Mitglied der Fachgruppe Bioprozesstechnik. Von 2010 bis 2014 war er Vorsitzender der gemeinsamen Fachgruppe „Biotransformationen“ der DECHEMA und der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM).

Video: Biotechnologie im Alltag