BioenergieFachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V.

 

Kerosin aus Erneuerbaren Rohstoffen durch (kombinierte) bio-/chemische Synthese

Anschrift
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen - Fakultät 1 - Mathematik - Informatik - Naturwissenschaften - Fachgruppe Chemie - Institut für Technische und Makromolekulare Chemie
Worringer Weg 2
52074 Aachen
Kontakt
Prof. Dr. Regina Palkovits
Tel: +49 241 80-26497
E-Mail schreiben
FKZ
22403415
Anfang
01.09.2016
Ende
31.12.2019
Ergebnisdarstellung
Im Vorhaben wurde die biotechnologische Produktion von 3-(3-hydroxyalkanoyloxy)alkanoaten (HAAs) mit einer Kettenlänge von C8-C12 und deren selektive chemokatalytische Umsetzung zu Kohlenwasserstoffen erfolgreich demonstriert. Hierzu wurde zunächst der Stoffwechselweg von strukturell verwandten Rhamnolipiden (natürlichen Biotensiden) entsprechend modifiziert. Die HAAs wurden durch bakterielle Fermentation mit Glucose als Kohlenstoffquelle synthetisiert und durch anschließendes kontinuierliches Ausschäumen aufkonzentriert. Mit dem Produktionsstamm P. putida KT2440 KS03 rhlA wurde eine maßgeschneiderte Kettenlänge für die Weiterverarbeitung zu Biokerosin eingestellt, wobei der überwiegende Teil der HAAs aus C10-C10-Molekülen bestand. Es konnte ein HAA-Produzent geschaffen werden, der sich wegen einer hydrophileren Zelloberfläche zu einem geringeren Anteil im Schaum anreicherte. So konnte der Verlust des eigentlichen Bio-Katalysators während der Produktion reduziert werden. Für die selektive chemo-katalytische Umwandlung zu Kohlenwasserstoffen wurde zunächst die Esterhydrolyse der HAAs zu 3-Hydroxydecansäure (3-HDS) vorgenommen. Das Produktspektrum konnte durch gezielte Optimierung der Säurestärke des Katalysatorträgers mit einem bifunktionellem Ruthenium-Zeolith-Katalysator selektiv (>99 %) von Alkoholen zu Alkanen verschoben werden (Ausbeuten: 72% Nonan und 12% Decan). Die Reaktion war in rein wässrigem Medium durchführbar, was einen entscheidenden Vorteil für den biologisch-chemischen Gesamtprozess darstellt, da die mikrobielle Produktion ebenfalls in einer wässrigen Fermentationsbrühe stattfindet. Somit kann ein zusätzlicher Prozessschritt samt Energie und Zeit eingespart werden, was den Prozess ökonomisch und ökologisch attraktiver macht. Eine elektrochemische Umsetzung ermöglichte zudem die Herstellung eines C9-basierten Oxygenat-Gemisches, dessen entsprechenden Treibstoffeigenschaften eine ausgeprägte Eignung zum Einsatz als Blend in Dieselkraftstoffen aufwies.
Aufgabenbeschreibung
Der Bedarf an geeigneten Biokraftstoffen erstreckt sich nicht nur auf den Automobilsektor, sondern nimmt in den letzten Jahren auch im Luftverkehr stark an Bedeutung zu. Der Flugverkehr ist für zwei Prozent des weltweiten CO2-Ausstoßes verantwortlich. Geeignete Biotreibstoffe könnten die Emission von Treibhausgasen im Luftverkehr um bis zu 60-80 % senken. Aktuelle Alternativen sind beispielsweise Bioethanol und hydrierter Biodiesel, das sogenannte Biokerosin. Hauptkritikpunkte an diesen Rohstoffen sind jedoch die selbst unter optimalen Bedingungen geringen Flächenausbeuten, die Konkurrenz zum Anbau von Lebensmitteln und die Abholzung von Regenwäldern zum Anbau von Ölpalmen. Hinzu kommt die für Flugtreibstoffe nicht ideale und insgesamt breite Kettenlängenverteilung der enthaltenen Fettsäuren. Eine Alternative hierzu stellen mikrobiologisch produzierte Intermediate wie 3-(3-hydroxy-alkanoyloxy)alkanoate (HAAs) dar. Diese Fettsäureester einstellbarer Kettenlänge können aus Lignocellulose-haltigen Pflanzenresten durch Aufschäumung gewonnen werden (C5 und C6 Zuckern), sodass zum einen eine ausreichende Rohstoffbasis sichergestellt ist und zum anderen eine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion vermieden wird. Im Rahmen dieses Projekts sollte untersucht werden, ob mikrobiologisch aus Zuckern zugängliche HAAs geeignete Ausgangsstoffe zur Herstellung von Biokerosin sind. Dafür war es zum einen notwendig, selektiv HAAs geeigneter Kettenlänge bereitzustellen und zum anderen eine direkte chemokatalytische Umsetzung dieser HAAs (idealerweise in wässriger Phase) in Kohlenwasserstoffe vorzunehmen. Die mikrobielle Produktion von HAAs wurde durch einen genetisch optimierten Mikroorganismus erreicht. Verbesserte Fermentationsbedingungen sollten eine weitere Steigerung der Effizienz ermöglichen. Um eine selektive chemokatalytische Umsetzung zu Kohlenwasserstoffen mittels kontrollierter Hydrodeoxygenierung zu ermöglichen, wurden hierzu geeignete Metallkatalysatoren untersucht.

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