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1 Fraunhofer IGB Projektgruppe BioCat Straubing Sommersymposium am 27. Juni 2013 Chemische Energiespeicher Katalyse und Prozess Dr. Tobias Gärtner

2 AGENDA 1. Fraunhofer IGB 2. Kompetenzzentrum für nachwachsende Rohstoffe 3. Fraunhofer-Projektgruppe BioCat 4. Chemische Energiespeicher Katalyse und Prozess Fraunhofer

3 1. Fraunhofer IGB Die Fraunhofer-Gesellschaft 1 Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB 2 Fraunhofer-Zentrum für Chemisch- Biotechnologische Prozesse CBP 2 Leuna 1 Stuttgart 4 Würzburg 3 Straubing 3 4 Projektgruppe: Katalytische Verfahren für eine nachhaltige Rohstoffund Energieversorgung auf Basis nachwachsender Rohstoffe BioCat Projektgruppe: Regenerative Technologien für die Onkologie Folie 3

4 1. Fraunhofer IGB Geschäftsfelder Medizin Pharmazie Chemie Regenerative Medizin Diagnostik Medizintechnik Screening und Validierung von Wirkstoffen Wirkstoffherstellung und Aufarbeitung Formulierung Biobasierte Chemikalien und Materialien Funktionale Oberflächen und Materialien Prozessintensivierung und -integration Umwelt Sekundärrohstoffgewinnung Verbesserung der Rohstoffeffizienz Wasseraufbereitung Energie Nachhaltige Energiewandlung Energieeffizienz bei verfahrenstechnischen Prozessen Wärmespeicherung Folie 4

5 2. Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe 3 Säulen eine Einheit Kompetenzzentrum für nachwachsende Rohstoffe Koordinierungsrat Wissenschaftszentrum Technologie- und Förderzentrum Träger: Bayerisches Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Träger: Bayerisches Staatsministerium für Landwirtschaft und Forsten Träger: 65 Mitgliedsunternehmen Folie 5

6 2. Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe Themenfelder Prozesse und Methoden Projekte Biomasse, Abfälle Fraktionen Bulk Chemikalien Monomere Polymere Massenbilanzen Prozessökonomie Energiebilanzen Ökobilanzierung Diole für Polyester aus Lignocellulose Diamine für Polyamide und Polyurethane aus Glukose und Terpenen Epoxide für Kunstharze und Polycarbonate aus Terpenen Dicarbonsäuren für Polyesters und Polyamide aus Polyglucanen Bifunktionale Monomere aus Fettsäuren Polysaccharide als technische Hydrocolloide aus Zuckern Phenolische Monomere aus Lignin Chitin als Ausgangsstoff für z.b. Polyamine Werkstoffe Marketing Akzeptanz Folie 6

7 2. Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe Bioraffinerie Selektive Produktionsströme für breite Anwendung LCB Enzym 1 Verfahren 1 Enzym 2 Verfahren 2 E3 V3 E4 V4 C5 Zucker C6 Zucker Proteine Lignin Sonstige Rückstände Polyole und Derivative Aceton, Xylen Aminosäuren und Derivative Phenole Färbemittel, Sterine, etc. Energie Folie 7

8 3. Fraunhofer-Projektgruppe BioCat TUM-Lehrstuhl Chemie biogener Rohstoffe Biomasseaufschluss & Fermentation Metabolic Engineering & Mikrobielle PS Chemische Synthesen & Katalyse Biokatalyse & Enzym Engineering Lehrstuhl Chemie Biogener Rohstoffe Grundlagenforschung Biokatalysatordesig n und -entwicklung Fraunhofer Projektgruppe BioCat Chemisch/enzymatische Prozesse und Analytik Technisierung Chemische Katalysatoren - Design und Entwicklung Folie 8

9 3. Fraunhofer-Projektgruppe BioCat Katalytische Prozesse Homogene Katalysatoren Heterogene Katalysatoren Substrat Produkt Enzyme Mikroorganismen Folie 9

10 4. Chemische Energiespeicher Katalyse und Prozess Katalytische Prozesse Biotechnologisch Chemisch Sonne Wind e - Fermentation E-Lyse, Sabatier via CO 2 /H 2 via CO 2 /H 2 Elektrolyse + Sabatier erweitert auf >C1 Elektrobiokatalyse Methan Biomasse Methanoloxidation Methanol Methanol to Gasoline Diesel, Heizöl, Flugzeugtreibstoff Methanotrophe Fermentation Folie 10

11 4. Chemische Energiespeicher Katalyse und Prozess CO 2 -Fixierung Power to Gasoline mikrobiell Biotechnologisch Chemisch Sonne Wind e - Fermentation E-Lyse, Sabatier via CO 2 /H 2 via CO 2 /H 2 Elektrolyse + Sabatier erweitert auf >C1 Elektrobiokatalyse Methan Biomasse Methanoloxidation Methanol Methanol to Gasoline Diesel, Heizöl, Flugzeugtreibstoff Methanotrophe Fermentation Folie 11

12 4. Chemische Energiespeicher Katalyse und Prozess CO 2 -Fixierung Power to Gasoline mikrobiell Elektrolyse + Fermentation - Wasserstofferzeugung aus überschüssiger elektrischer Energie durch Elektrolyse von Wasser - Fermentation von Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff zu Methan oder zu Fettsäuren/Isoprenen Unser Arbeitsfeld 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

13 4. Chemische Energiespeicher Katalyse und Prozess Chemische CO 2 -Fixierung Biotechnologisch Chemisch Sonne Wind e - Fermentation E-Lyse, Sabatier via CO 2 /H 2 via CO 2 /H 2 Elektrolyse + Sabatier erweitert auf >C1 Elektrobiokatalyse Methan Biomasse Methanoloxidation Methanol Methanol to Gasoline Diesel, Heizöl, Flugzeugtreibstoff Methanotrophe Fermentation Folie 13

14 4. Chemische Energiespeicher Katalyse und Prozess Chemische CO 2 -Fixierung Elektrolyse + erweiterte Sabatier Reaktion - Reduktion von Kohlenstoffdioxid mit Wasserstoff zu C2 bis C10-Körpern (Ethan, Propan ) - Mechanismus: Umleiten der intermediären (CH 2 )-Spezies Unser Arbeitsfeld Neue Katalysatoren für notwendige erste Aktivierung von CO 2, Reduktion zu und Stabilisierung von CH 2 -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

15 4. Chemische Energiespeicher Katalyse und Prozess Elektrobiokatalyse: CO 2 zu Treibstoffen Biotechnologisch Chemisch Sonne Wind e - Fermentation E-Lyse, Sabatier via CO 2 /H 2 via CO 2 /H 2 Elektrolyse + Sabatier erweitert auf >C1 Elektrobiokatalyse Methan Biomasse Methanoloxidation Methanol Methanol to Gasoline Diesel, Heizöl, Flugzeugtreibstoff Methanotrophe Fermentation Folie 15

16 4. Chemische Energiespeicher Katalyse und Prozess Elektrobiokatalyse: CO 2 zu Treibstoffen Enzymatische Umsetzung - Biokatalytische Fixierung von CO 2, Reaktionskaskade zu Methanol - Einspeisung der Elektronen zur Rezyklierung der Redox-Cofaktoren e - e - e - Unser Arbeitsfeld Entwicklung der Biokatalysatoren Übertragung der Elektronen im System Vorteil: Biokatalysatoren können mit niedrigen CO 2 -Konzentrationen auskommen Elektroden ohne Überspannung möglich Methanol Treibstoff oder Brennstoffzelle Nachteil: Proof of principle zwar gelungen, trotzdem am Anfang der Entwicklung Folie 16

17 FRAUNHOFER IGB Projektgruppe BioCat - Straubing Kontakt Fraunhofer IGB Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik Projektgruppe BioCat Straubing Prof. Dr. Volker Sieber Telefon: Internet: Dr. Tobias Gärtner Telefon: Folie 17 Chemische Energiespeicher Katalyse und Prozess Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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