Multifunktionale Biomaterialien

Foto: Foltan/ATB

Neue biobasierte Produkte für die Bioökonomie

Im Fokus des Programmbereichs steht die Entwicklung standortspezifischer Technik und Verfahren für eine nachhaltige Produktion von Biomasse in der Landwirtschaft und deren ressourceneffiziente Nutzung durch eine Weiterverarbeitung zu Biomaterialen im Kontext bioökonomischer Wertschöpfung. Von zentraler Bedeutung ist dabei die Etablierung geschlossener Stoffkreisläufe insbesondere im Hinblick auf Kohlenstoff, um die Funktion von Biomaterialien als Kohlenstoffsenken zu fördern.
Unsere Forschungsaktivitäten vertiefen das grundlegende Verständnis der physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse bei der Bereitstellung, Vorbehandlung, Verarbeitung und Konversion von Biomasse. Wir untersuchen die jeweilige Prozessschritte exemplarisch in den Bereichen Kurzumtriebsplantagen, Agroforstsysteme (Link auf YouTube), Paludikultur, Faserpflanzen und biobasierte Produkte.
Gemeinsames Ziel unserer Forschungsarbeiten in diesen Bereichen ist die Entwicklung integrierter Konzepte zu einer kaskadischen Nutzung von Biomasse und Reststoffen aus der Landwirtschaft, um neue Wege der Biomassenutzung im Sinne von Bioraffineriesystemen zu beschreiten.

Lignozellulose aus Kurzumtriebsplantagen, Agroforstsystemen und Paludikultur

Holzige Biomasse aus der Landwirtschaft ist ein wichtiger Rohstoff für bioökonomische Wertschöpfungsketten und bietet erhebliches Potenzial zum Schutz von Klima und zur Energiesicherheit. Unsere Forschung konzentriert sich auf neuartige Verfahren zur Produktion und nachhaltigen Nutzung von Lignozellulose für Bioenergie und insbesondere Biomaterialien, die beispielsweise in Form von Fasern in der Bau-, Zellstoff- und Papierindustrie oder als Ausgangsmaterial für die Produktion biobasierter Chemikalien Einsatz finden.
Unsere Forschung zielt auf eine nachhaltige Produktion lignozellulosehaltiger Biomasse auf landwirtschaftlichen Flächen mit schnellwachsenden Gehölzen im Kurzumtrieb oder in Agroforstsystemen (Link auf Youtube Video) sowie mit geeigneten Pflanzenarten auf wiedervernässten Moorstandorten (Paludikultur).
Wir untersuchen die standortspezifischen Potenziale der Biomasseproduktion und der Kohlenstoffspeicherung  und arbeiten an technischen Lösungen für Ernte, Lagerung und Verarbeitung der holzigen Biomasse, insbesondere auch im Hinblick auf den Energiebedarf.
Als ersten Schritt für die Entwicklung Digitaler Zwillinge entwickeln wir Modelle für das Pflanzenwachstum und die Kohlenstoffspeicherung bei der Biomasseproduktion sowie für Trocknungs- und Abbauprozesse von zerkleinerter Biomasse.

Pflanzenfasern

Hochwertige Pflanzenfasern sind nicht nur für die Fertigung von Textilien interessant, sie finden auch z.B. als Bau- oder Dämmstoff in der Industrie Einsatz und ersetzen damit fossile Rohstoffe. Neben bekannten und unbekannten Faserpflanzen wie Hanf, Nessel oder Lein interessieren uns insbesondere lignozellulose-haltige Biomassen aus der Koppel- und Reststoffnutzung von Nahrungs-, Futtermittel- und Energiepflanzen.
Im Fokus der Forschung steht die Entwicklung von Verfahrenstechnik für Faserpflanzen entlang der gesamten Wertschöpfungskette: von der Bereitstellung biobasierter Agrarfaserrohstoffe bis hin zur technischen Anwendung (Link auf Youtube Video 'Vom Hanf zum Baustoff'). Für die Entwicklung ressourceneffizienter Technologien zur Faserproduktion sind das große Spektrum und die hohe Variabilität der verschiedenen pflanzlichen Materialeigenschaften eine besondere Herausforderung. Wir erfassen, analysieren und modellieren umweltbedingte oder technisch bedingte Veränderungen dieser Eigenschaftenund entwickeln neue Methoden zur Bestimmung spezifischer morphologischer, gravimetrischer oder mechanischer Eigenschaften. Dies ermöglicht die Ableitung effektiver Betriebsprinzipien für technische Anlagen bis hin zu neuen Prozesslinien - für Faserpflanzen und auch alternative Lignocellulose-Biomasse aus der Landwirtschaft.

Biobasierte Chemikalien

Ein weiterer vielversprechender Weg zur Wertschöpfung aus organischen Nebenprodukten und Reststoffen ist die Biokonversion mittels mikrobieller Fermentation. Mit Hilfe biotechnologischer Verfahren lassen sich aus den Zuckern der Polymere Cellulose und Hemicellulose neue biobasierte Stoffe gewinnen. In unserer Forschung konzentrieren wir uns auf die Produktion organischer Säuren, wie Milchsäure- und Bernsteinsäure, da diese beiden Monomere die Hauptkomponenten für die anschließende Verarbeitung zu Biokunststoffen sind.
Das Verständnis des gesamten Prozesses, beginnend mit dem Screening geeigneter Bakterienstämme, der Vorbehandlung der Biomasse, der Fermentation und dem nachgeschalteten Aufreinigungs- und Konzentrationsprozess, erfordert eine gründliche Kenntnis der einzelnen Prozessschritte und deren Integration. Unter Berücksichtigung der Variabilität des Ausgangsmaterials und der Vitalität der Mikrobenstämme erarbeiten wir wissenschaftliche Ansätze für eine effiziente Prozessgestaltung. Unser Ziel ist es, Biochemikalien als maßgeschneidertes Ausgangsmaterial für die Weiterverarbeitung zu multifunktionalen Biomaterialien zu produzieren.

Sprecher des Programmbereichs

Dr.-Ing. Pecenka, Ralf

Arbeitsgruppenleiter Verfahrenstechnik für Energiepflanzen


Abteilung: Systemverfahrenstechnik

E-Mail: RPecenka@spam.atb-potsdam.de

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