Vortrag [ PDF 0,82 MB ]
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Fraunhofer IGB Projektgruppe BioCat Straubing – Sommersymposium am 27. Juni 2013 Chemische Energiespeicher – Katalyse und Prozess Dr. Tobias Gärtner © Fraunhofer IGB AGENDA 1. Fraunhofer IGB 2. Kompetenzzentrum für nachwachsende Rohstoffe 3. Fraunhofer-Projektgruppe BioCat 4. Chemische Energiespeicher – Katalyse und Prozess © Fraunhofer 1. Fraunhofer IGB Die Fraunhofer-Gesellschaft 1 Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB 2 Fraunhofer-Zentrum für ChemischBiotechnologische Prozesse CBP 3 Projektgruppe: Katalytische Verfahren für eine nachhaltige Rohstoffund Energieversorgung auf Basis nachwachsender Rohstoffe BioCat 4 Projektgruppe: Regenerative Technologien für die Onkologie 2 Leuna 4 Würzburg 1 Stuttgart Folie 3 © Fraunhofer IGB 3 Straubing 1. Fraunhofer IGB Geschäftsfelder Medizin Regenerative Medizin Diagnostik Medizintechnik Pharmazie Chemie Screening und Validierung von Wirkstoffen Biobasierte Chemikalien und Materialien Wirkstoffherstellung und Aufarbeitung Funktionale Oberflächen und Materialien Formulierung Prozessintensivierung und -integration Umwelt Energie Sekundärrohstoffgewinnung Nachhaltige Energiewandlung Verbesserung der Rohstoffeffizienz Energieeffizienz bei verfahrenstechnischen Prozessen Wasseraufbereitung Wärmespeicherung Folie 4 © Fraunhofer IGB 2. Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe 3 Säulen – eine Einheit Kompetenzzentrum für nachwachsende Rohstoffe Koordinierungs rat Technologie- und Förderzentrum Wis s ens chafts zentrum Träger: Bayerisches Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Folie 5 © Fraunhofer IGB Träger: Bayerisches Staatsministerium für Landwirtschaft und Forsten Träger: 65 Mitgliedsunternehmen 2. Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe Themenfelder Prozesse und Methoden Biom as s e, Abfälle Diole für Polyester aus Lignocellulose Ökobilanzierung Fraktionen Bulk Chem ikalien Monom ere Projekte Diamine für Polyamide und Polyurethane aus Glukose und Terpenen Epoxide für Kunstharze und Polycarbonate aus Terpenen Mas s enbilanzen Dicarbonsäuren für Polyesters und Polyamide aus Polyglucanen Bifunktionale Monomere aus Fettsäuren Energiebilanzen Polysaccharide als technische Hydrocolloide aus Zuckern Phenolische Monomere aus Lignin Poly m ere Prozes s ökonom ie Marketing Werks toffe Akzeptanz Folie 6 © Fraunhofer IGB Chitin als Ausgangsstoff für z.B. Polyamine 2. Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe Bioraffinerie – Selektive Produktionsströme für breite Anwendung LCB Enzym 1 Verfahren 1 C5 Zucker Polyole und Derivative Enzym 2 Verfahren 2 C6 Zucker Aceton, Xylen E3 V3 Proteine Aminosäuren und Derivative E4 V4 Lignin Phenole … Sonstige Färbemittel, Sterine, etc. … Rückstände Energie Folie 7 © Fraunhofer IGB 3. Fraunhofer-Projektgruppe BioCat TUM-Lehrstuhl Chemie biogener Rohstoffe Biomasseaufschluss & Fermentation Metabolic Engineering & Mikrobielle PS Chemische Synthesen & Katalyse Lehrstuhl Chemie Biogener Rohstoffe Fraunhofer Projektgruppe BioCat Biokatalysatordesig n und -entwicklung Folie 8 © Fraunhofer IGB Chemisch/enzymatische Prozesse und Analytik Biokatalyse & Enzym Engineering Grundlagenfors chung „Technis ierung“ Chemische Katalysatoren - Design und Entwicklung 3. Fraunhofer-Projektgruppe BioCat Katalytische Prozesse Homogene Katalysatoren Heterogene Katalysatoren Substrat Produkt Enzyme Folie 9 © Fraunhofer IGB Mikroorganismen 4. Chemische Energiespeicher – Katalyse und Prozess Katalytische Prozesse via CO2/H2 Biotechnologis ch Chem is ch Elektrolyse + Sabatier erweitert auf >C1 e- Biomasse Methan Elektrobiokatalyse via CO2/H2 Fermentation E-Lyse, Sabatier Sonne Wind Methanoloxidation Methanol Methanol to Diesel, Heizöl, Flugzeugtreibstoff Gasoline Methanotrophe Fermentation Folie 10 © Fraunhofer IGB 4. Chemische Energiespeicher – Katalyse und Prozess CO2-Fixierung – „Power to Gasoline“ mikrobiell via CO2/H2 Biotechnologis ch Chem is ch Elektrolyse + Sabatier erweitert auf >C1 e- Biomasse Methan Elektrobiokatalyse via CO2/H2 Fermentation E-Lyse, Sabatier Sonne Wind Methanoloxidation Methanol Methanol to Diesel, Heizöl, Flugzeugtreibstoff Gasoline Methanotrophe Fermentation Folie 11 © Fraunhofer IGB 4. Chemische Energiespeicher – Katalyse und Prozess CO2-Fixierung – „Power to Gasoline“ mikrobiell Elektroly s e + Ferm entation - Wasserstofferzeugung aus überschüssiger elektrischer Energie durch Elektrolyse von Wasser - Fermentation von Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff zu Methan oder zu Fettsäuren/Isoprenen Uns er Arbeits feld • Neue mikrobielle Stämme • Optimierung der zugrunde liegenden Biokatalysatoren & metabolischen Flüsse • Reaktoraufbau und Reaktionsführung Vorteil • Stämme für Zwischenprodukte bekannt • Kleine dezentrale Anlagen möglich, einfach skalierbar • Koppelproduktion (Tierfutter) Nachteil • Ausbeute derzeit noch unzureichend, Anreicherung von Zwischenprodukten Folie 12 © Fraunhofer IGB 4. Chemische Energiespeicher – Katalyse und Prozess Chemische CO2-Fixierung via CO2/H2 Biotechnologis ch Chem is ch Elektrolyse + Sabatier erweitert auf >C1 e- Biomasse Methan Elektrobiokatalyse via CO2/H2 Fermentation E-Lyse, Sabatier Sonne Wind Methanoloxidation Methanol Methanol to Diesel, Heizöl, Flugzeugtreibstoff Gasoline Methanotrophe Fermentation Folie 13 © Fraunhofer IGB 4. Chemische Energiespeicher – Katalyse und Prozess Chemische CO2-Fixierung Elektroly s e + „erw eiterte“ S abatier Reaktion - Reduktion von Kohlenstoffdioxid mit Wasserstoff zu C2 bis C10-Körpern (Ethan, Propan …) Mechanismus: Umleiten der intermediären (CH2)-Spezies Uns er Arbeits feld • Neue Katalysatoren für notwendige erste Aktivierung von CO2, Reduktion zu und Stabilisierung von CH2-Einheiten, Bildung von C-C-Bindungen (Übergangsmetalle, Biokatalysatoren) Vorteil • Erweitertes Spektrum von Chemikalien/Treibstoffe => synthetische Dieselkraftstoffe möglich Nachteil • Entwicklung steht am Anfang • Hohe Konzentration an Kohlenstoffdioxid notwendig Folie 14 © Fraunhofer IGB 4. Chemische Energiespeicher – Katalyse und Prozess Elektrobiokatalyse: CO2 zu Treibstoffen via CO2/H2 Biotechnologis ch Chem is ch Elektrolyse + Sabatier erweitert auf >C1 e- Biomasse Methan Elektrobiokatalyse via CO2/H2 Fermentation E-Lyse, Sabatier Sonne Wind Methanoloxidation Methanol Methanol to Diesel, Heizöl, Flugzeugtreibstoff Gasoline Methanotrophe Fermentation Folie 15 © Fraunhofer IGB 4. Chemische Energiespeicher – Katalyse und Prozess Elektrobiokatalyse: CO2 zu Treibstoffen Enzy m atis che Um s etzung - Biokatalytische Fixierung von CO2 , Reaktionskaskade zu Methanol Einspeisung der Elektronen zur Rezyklierung der Redox-Cofaktoren eeUns er Arbeits feld • Entwicklung der Biokatalysatoren • Übertragung der Elektronen im System Vorteil: • Biokatalysatoren können mit niedrigen CO2-Konzentrationen auskommen • Elektroden ohne Überspannung möglich • Methanol Treibstoff oder Brennstoffzelle Nachteil: • Proof of principle zwar gelungen, trotzdem am Anfang der Entwicklung Folie 16 © Fraunhofer IGB e- FRAUNHOFER IGB Projektgruppe BioCat - Straubing Chemische Energiespeicher – Katalyse und Prozess Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt Fraunhofer IGB Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik Projektgruppe BioCat Straubing Internet: Folie 17 © Fraunhofer IGB http://www.biocat.fraunhofer.de Prof. Dr. Volker Sieber Telefon: 09421 187 301 E-Mail: [email protected] Dr. Tobias Gärtner Telefon: 09421 187 352 E-Mail: [email protected]
