Ethik und Ökonomik moderner Agrarmythen (AGRIMYTH)

Prof. Dr. Ingo Pies und Dr. Stefan Hielscher (Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg) in Kooperation mit PD Dr. Vladislav Valentinov (Leibniz Institut für Agrarentwicklung in Transformationsökonomien)

In Politik, Öffentlichkeit und Wissenschaft herrscht eine übereinstimmende Vision vor, dass die landwirtschaftliche Produktion in Deutschland (und weltweit) an umfassend verstandenen Nachhaltigkeitskriterien auszurichten ist. Dies schließt Umwelt- und Klimaschutz ebenso ein wie die verantwortungsvolle Nutzung von natürlichen Ressourcen, die Erhaltung der Biodiversität, den Verbraucherschutz, aber auch die globale Ernährungssicherheit und die Anpassungsfähigkeit der Agrarsysteme an veränderte Verbrauchergewohnheiten. Ein wesentliches Hindernis für eine solche inhaltliche Vision nachhaltiger Agrarsysteme besteht darin, dass die moralische Engführung öffentlicher und politischer Diskurse über landwirtschaftliche Produktion den Blick auf mögliche Lösungsoptionen verstellen kann (=„landwirtschaftliche Mythen“). Zur Überwindung dieses Hindernisses untersucht das Projekt landwirtschaftliche Mythen aus ethischer und (agrar)ökonomischer Sicht mit dem Ziel, einen breiten Nachhaltigkeitsfokus zu ermöglichen, um blinde Flecke identifizieren und aufhellen zu können. Mit dieser Ausrichtung leistet das Projekt einen wissenschaftlichen Beitrag zur Aufklärung öffentlicher Kommunikationsprozesse, indem es die Mythen über Agrarproduktion identifiziert und auf diese Weise die gesellschaftlichen Diskurse stärker auf eine erfolgreiche Umsetzung des Anliegens nachhaltiger Entwicklung ausrichtet.

Die Schwerpunkte des Forschungsprojekts liegen auf folgenden Aspekten:

  • Identifikation von Herausforderungen landwirtschaftlicher Produktion und Innovation in Form einer Diskursanalyse aktueller öffentlicher Debatten. Hierzu werden Zeitschriften- und Tageszeitungsbeiträge untersucht, die in führenden deutschen und internationalen Print- und Online-Medien in den letzten Jahren veröffentlicht wurden.
  • Identifikation von verbreiteten moralischen Vorstellungen und ggf. Engführungen über Landwirtschaft, landwirtschaftliche Produktion und Innovation. Zu diesem Zweck werden zusätzlich Experteninterviews mit relevanten Akteuren und Organisationen im landwirtschaftlichen Sektor durchgeführt, u.a. mit Verbänden der konventionellen und ökologischen Landwirtschaft, NGOs und Experten aus Politik, Wissenschaft und Medien. Die Interviewleitfäden beinhalten offene Fragen im Hinblick auf die moralischen Dimensionen landwirtschaftlicher Produktion, z. B. hinsichtlich der Lebensmittelsicherheit und der Förderung(swürdigkeit) von Kleinbauern.
  • Untersuchung der im Rahmen der Diskursanalyse und der Interviewanalyse erhobenen Textdaten mit Hilfe innovativer Methoden der qualitativen empirischen Analyse. Hierzu werden statistische Verknüpfungen und Kausalbeziehungen zwischen den identifizierten moralischen Konzepten erhoben und als ‚mentale Landkarte’ der Probanden interpretiert. Sie offenbaren die Muster moralischer Argumentation und werden dazu verwendet, moralische Argumente zu klassifizieren und einer weiterführenden Semantikanalyse zuzuführen.
BEP – Gersten Epigenom Plattform
(Design by B. Jannack and K. Humbeck)
(Design by B. Jannack and K. Humbeck)

Prof. Dr. Klaus Humbeck (Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg), Dr. Niels Stein und Dr. Martin Mascher (Leibniz Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung)

Industriepartner: Saaten-Union Biotec GmbH

Pflanzen entwickeln sich in einer sich ständig ändernden Umwelt. In dem Kampf ums Überleben auch bei widrigen Umweltbedingungen sind einige Pflanzen viel besser gewappnet als andere. Die Fähigkeit von Nutzpflanzen, Abwehr- und Schutzmechanismen gegen Stressbedingungen auszubilden, bestimmt im Endeffekt den Ertrag. Bei einer rasant wachsenden Weltbevölkerung, die ernährt werden muss, und bei sich gleichzeitig z.B. durch den Klimawandel verschlechternden Umweltbedingung, gewinnen Ansätze zur gezielten Züchtung toleranter Sorten, die auch bei Stressbedingungen hohe Erträge gewährleisten, eine immense ökonomische Bedeutung. Wir müssen deswegen von der Natur lernen, wie manche Pflanzen eine effiziente Toleranz gegen Stressbedingungen aufbauen können, um dann diese neuen Erkenntnisse in der Züchtung nutzen zu können. Da die pflanzlichen Stressantworten im Wesentlichen von der koordinierten und hoch regulierten Expression der richtigen Gene zur richtigen Zeit abhängig sind, ist das Verständnis der regulatorischen Mechanismen eine Grundvoraussetzung für solche gezielten Züchtungsansätze. Aufregende, neuere Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass die Regulation der Genexpression gerade auch unter Stressbedingungen einer übergeordneten, sogenannten epigenetischen Kontrollebene unterliegt, die über die dreidimensionale Umstrukturierung der Verpackung der DNA-basierten Gene im Chromatin der Zellkerne funktioniert. Diese epigenetischen Faktoren scheinen eine höhere Kontrollebene bei der pflanzlichen Entwicklung auch unter Stressbedingungen zu bilden und sind somit hochinteressante Forschungsziele bei der Pflanzenzüchtung.

Das Projekt hat sich zum Ziel gesetzt, bei Nutzpflanzen solche epigenetischen Kontrollfaktoren zu identifizieren, die die pflanzliche Leistungsfähigkeit auch bei Stressbedingungen absichern. Wir wollen in Sachsen-Anhalt eine Epigenom-Plattform für Getreidepflanzen etablieren, die die genomweite und räumliche Identifizierung von epigenetischen Markierungen (hauptsächlich Histon- und DNA-Modifizierungen) in den Zellkernen der Nutzpflanzen ermöglicht. Dazu kombinieren wir die Expertise der beteiligten Labore bei molekularbiologischen, pflanzenphysiologischen, biochemischen, epigenetischen und bioinformatischen Ansätzen. In unserem ersten Ansatz konzentrieren wir uns auf die Prozesse der durch Trockenstress ausgelösten Blattseneszenz, was weltweit die Ursache für enorme Ertragseinbußen ist. Unser längerfristiges Ziel ist aber, diese Epigenom-Plattform für ganz unterschiedliche agronomisch relevante Fragestellungen einzusetzen, um so im Verbund mit Züchtern die Leistungsfähigkeit der Nutzpflanzen-Epigenom-Plattform universell bei der Züchtung leistungsstarker und umwelttoleranter Sorten einsetzen zu können.

Reine hydrophilisierte Phytosterol-Derivate – Von Abfallströmen der Zellstoffindustrie zu hochpreisigen Aromastoffen (Dulcesterol)
© Fraunhofer CBP

Prof. Dr. Ludger Wessjohann (Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie) und Gerd Unkelbach (Fraunhofer CBP)

Industriepartner:Zellstoff Stendal GmbH, Symrise AG

Phytosterole und -sterine sind in allen Pflanzen enthalten. Eine ökonomisch interessante Quelle sind Nebenprodukte der Zellstoffindustrie. Sie finden zunehmend Interesse als Ausgangsstoffe, z.B. in Diätmargarinen (Becel® etc.) aufgrund ihrer Cholersterol-senkenden Eigenschaften. Heutzutage überwiegend aus Soja gewonnen, eröffnet eine Extraktion und Aufreinigung aus Nebenströmen der Zellstofferzeugung einen lukrativen, alternativen Zugang zu diese Verbindungen. Viele Anwendungen mit noch höheren Margen, z.B. im Pharma-, Kosmetik-, oder Aromenbereich sind nach selektiver Gewinnung von Reinsubstanzen und Modifikation denkbar, insbesondere nach Hydrophilisierung in bestimmten Bereichen des Moleküls.

Um Phytosterine und -Derivate herstellen zu können, konzentriert sich das Projekt auf: (1.) Analyse und Reinigung von Phytosterin-Mischungen aus lokalen Fabriken und (2.) Konversion geeigneter Substanzen durch selektive katalytische Prozesse, vor allem biokatalytische oder fermentative Prozesse zu höherpreisigen Derivaten. Ein besonderer Schwerpunkt wird auf Phytosterine mit definiert oxidierten Positionen gelegt, da diese hydrophilisierte Derivate Zwischenprodukte für (Pflanzen-), Hormone und Medikamente haben.

Daher sind die einzelnen Ziele:

  • Entwicklung einer Methode zur schnellen qualitativen und quantitativen Analyse von Tallöl und anderen potenziellen Sterin-haltigen Stoffströmen mit Hauptaugenmerk auf Di-und Triterpene.
  • Entwicklung einer Methode zur Identifizierung von ungesättigten und oxidierten Mustern dieser Triterpenen, idealerweise in der Ausgangsmischung. Auswahl von Hauptfraktionen.
  • Entwicklung einer Reinigungsmethode für die ausgewählten Moleküle
  • Skalierung deren Gewinnung
  • Entwicklung biokatalytischer, fermentativer oder chemischer Verfahren zur selektiven Oxidation oder anderweitiger Modifikation.
  • Skalierung der modifizierten Sterolherstellung
  • Gewinnung von Bioaktivitäts-Profilen für diese neuartigen Sterole
Verbesserung der Trockenstressresistenz in Gerste durch transkriptionelle Inaktivierung von Genen mit Suppressorfunktion (IDRIB)
Gerstenpflanzen (Hordeum vulgare) in der letzten  Wachstumsphase,links unter normal bewässerten Kontrollbedingungen und rechts nach 4 Tagen ohne Bewässerung (Trockenstress).
Gerstenpflanzen (Hordeum vulgare) in der letzten Wachstumsphase, links unter normal bewässerten Kontrollbedingungen und rechts nach 4 Tagen ohne Bewässerung (Trockenstress).

Prof. Dr. Thomas Altmann und Dr. Markus Kuhlmann (Leibniz Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung) sowie Prof. Dr. Edgar Peiter (Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg)

Industriepartner: Saatzucht Josef Breun GmbH & Co. KG

Trockenheit während der letzten Lebensphase von Nutzpflanzen kann schwerwiegende Auswirkungen auf die Pflanzenproduktion haben. Besonders sensibel reagieren die Pflanzen wenn die Trockenheit in der reproduktiven Phase auftritt. In diesen Fällen kann es zu dramatischen Ertragsverlusten kommen. Während es durch die Trockenheit vor der Blüte zu einer Verringerung der Kornzahl kommt, führt Wassermangel nach der Blüte zu einer verringerten Kornfüllung. In vorausgehenden Arbeiten konnten Gene identifiziert werden, welche eine Suppressorfunktion für die Trockenstressresistenz und die Korngröße spielen. Die Promotorregionen dieser ausgewählten Gene sollen transkriptionell inaktiviert werden. Hierfür soll der Mechanismus der RNA vermittelten DNA Methylierung angewandt werden, um die ausgewählten Gene in Gerste (Hordeum vulgare) stillzulegen.

Als Transkriptionelle Gen Stilllegung (TGS) wird ein Mechanismus bezeichnet bei dem Gene durch DNA Methylierung ihrer Promotorregion inaktiviert werden. Die sequenzspezifische Methylierung wird durch die stabile oder transiente Expression eines Haarnadelkonstruktes erreicht, welches Sequenzhomologie zum Zielpromotor besitzt. Des Weiteren soll die Vererbbarkeit der Inaktivierung in Abwesenheit des Stilllegungstransgens getestet werden. Ein vergleichbarer Mechanismus konnte bereits in dem Modellsystem Arabidopsis beschrieben werden. Die Anwendung dieser Methode könnte es ermöglichen Genaktivität in Abwesenheit eines Transgens zu modulieren.

Mit Hilfe des Projektes kann eine neue Technologie entwickelt werden, welche zu verbesserten Pflanzeneigenschaften unter Trockenstressbedingungen führt. Einen stabilen Getreideertrag zu erzielen ist nicht nur für die lokale Wirtschaft von Bedeutung, sondern auch international zur Sicherung der Welternährung unter wechselnden klimatischen Bedingungen.

Aufbau einer Plattform zur Extraktion, biologischen Testung und Formulierung bioaktiver Metaboliten mit potentieller anticancerogener und antifungaler Aktivität aus schwermetall-belasteten Pilz/Pflanzen-Gemeinschaften (MetaLine)

Prof. Dr. Ingo Schellenberg und PD Dr. Helmut Baltruschat (Hochschule Anhalt) sowie Dr. René Csuk (Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg)

Industriepartner: Medicos Service GmbH, Helm AG

Naturstoffe spielen auf der Suche nach neuen pharmazeutischen Wirkstoffen, Kosmetika und Pflanzenschutzmitteln eine bedeutende Rolle. Der Bedarf an pflanzen-basierten Chemikalien ist in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen, und das durchschnittliche jährliche Wachstum betrug dabei zwischen 9 und 10%. Dies ist vor allem dadurch bedingt, dass ihre Gewinnung aus nachwachsenden Rohstoffen (im Vergleich zur klassischen Synthese) zu verringerten Kosten bei Arzneistoffen, Kosmetika und Nahrungsmitteln führt. Darüber hinaus ist dieser Zugang auch deutlich nachhaltiger als eine klassische chemische Synthese ausgehend von Intermediaten der petrochemischen Industrie. Während Pflanzenextrakte bereits in der Vergangenheit eine wichtige Rolle auf der Suche nach Wirkstoffen gespielt haben, konnten viele Infektionserkrankungen erst durch den Einsatz von Antibiotika wirksam behandelt werden; diese Antibiotika stammen üblicherweise aus Bakterien oder Pilzen. Darüber hinaus werden jährlich aber auch circa 15% der Welternte durch Pathogene (hier vor allem durch phytopathogene Pilze) angegriffen und zerstört, und es wird erwartet, dass sich dieser Anteil zukünftig unter dem Einfluss geänderter klimatischer Bedingungen noch erhöhen wird.

Schwermetalle sind üblicherweise toxisch für Pflanzen, und deshalb sind schwermetall-belastete Habitate meistens fast völlig frei von Vegetation. Nur hochspezialisierte Flora ganz spezieller Arten ist gegenüber Schwermetallen hinreichend tolerant und unter diesen extremen Bedingungen in der Lage zu überleben und zu wachsen. Das Auftreten von Pilzen, mit Ausnahme von arbuskulären Mycorrhizapilzen in solchen schwermetall-belasteten Regionen wurde bislang nicht untersucht, und damit wurden solche Pilze auch nicht hinsichtlich ihrer Eigenschaften charakterisiert. Da jedoch anzunehmen ist, dass gerade Pilze eine bedeutende Rolle bei Vorgängen der Anpassung und der Entwicklung von Überlebensstrategien spielen, ist es sinnvoll, sich ihrer Untersuchung gerade in schwermetall-belasteten Regionen zuzuwenden.

Das Land Sachsen-Anhalt verfügt auf den früheren Abbaugebieten für Kupferschiefer (Mansfelder Land) bzw. Kupfererz (Harz) über eine größere Anzahl an Abraumhalden; diese Abraumhalden stellen extreme Habitate mit hoher Schwermetallbelastung dar. Wir haben Zugang zu historisch unterschiedlichen Abraumhalden, und diese können herangezogen werden, um endophytische Pilze, die mit Pflanzen der Schwermetallrasengesellschaften assoziiert sind, zu isolieren, um daraus neue bioaktive Metaboliten zu isolieren. Es kann angenommen werden, dass das Überleben der Pflanzen an schwermetall-belasteten Standorten durch die enge Assoziation mit endophytischen Mikroorganismen (Pilze, Bakterien) erleichtert oder überhaupt erst ermöglicht wird. Solche endophytischen Mikroorganismen, u.a. endophytische Pilze, könnten ein hohes Potential aufweisen, bislang unbekannte bioaktive Verbindungen zu bilden, die der Wirtspflanze helfen, unter diesen schwierigen Bedingungen zu wachsen. Im Rahmen des Projekts sollen auch neue Kultivierungsmethoden für Pilze aus diesen Extremhabitaten entwickelt und etabliert werden. Es wird erwartet, dass unter veränderten abiotischen Stressbedingungen bei der Kultivierung dieser Pilze auch das Spektrum sekundärer Metaboliten entsprechend verändert wird. Dadurch werden neue Einsichten in die Bildung von Biomasse sowie von aktiven Verbindungen erwartet. Im Rahmen des Projekts sollen sowohl erste Untersuchungen zur chemisch/biologischen Qualitätssicherung aber auch zur Formulierung (unter Weiterentwicklung einer bestehenden Formulierungsplattform) vorgenommen werden, um damit eine Basis für nachfolgende Projekte zu legen. In einem solchen Projekt könnten Fragen der optimalen Formulierung der hier neu identifizierten, charakterisierten und isolierten bioaktiven Verbindungen speziell für den Pflanzenschutz, aber auch für kosmetische und pharmazeutische Anwendungen erfolgen.

 

Teilprojekt 1 - Isolierung, Identifizierung pflanzlicher und pilzlicher sekundärer Naturstoffe und Etablierung einer Screening-Plattform auf der Suche nach neuen antifungalen Verbindungen

Naturstoffe stellen eine wichtige Quelle für neue bioaktive Verbindungen dar und sind für pharmazeutische und landwirtschaftliche Unternehmen von großem Interesse. Für die Entwicklung neuer aktiver Verbindungen liefern sie wirksame Leitstrukturen. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Publikationen veröffentlicht, die die Isolierung von Sekundärmetaboliten aus endophytischen Pilzen thematisieren. Diese Studien zeigen eindrucksvoll, dass Mikroorganismen über ein hohes Potentialverfügen, bioaktive Substanzen in einem kommerziell interessanten Maßstab zu produzieren. Die Hälfte aller Pharmazeutika und dreiviertel aller antibakterieller Wirkstoffe, welche in den letzten zwanzig Jahren auf den Markt gebracht wurden, basieren auf Leitstrukturen von Naturstoffen.

Der Fokus unserer Untersuchungen liegt speziell auf Ökosystemen, die durch extreme abiotische Bedingungen wie Hitze, Kälte oder einen hohen Salzgehalt gekennzeichnet sind. In jüngeren Veröffentlichungen wurde die hohe biologische und chemische Diversität von endophytischen Pilzen, die mit Pflanzen an extremen Standorten assoziiert sind, beschrieben. Die Kupferminen mit ihrem sehr hohen Gehalt an Schwermetallen zählen zu den Standorten, die eine hohe Anpassungsfähigkeit von Pflanzen an diese schwierigen Bedingungen voraussetzen. Bisher liegen mit Ausnahme symbiotischer arbuskulärer Mykorrhizapilze keine Untersuchungen über endophytische Pilze und deren Fähigkeit, Sekundäremetabiloten zu bilden, von den Schwermetallrasen-Gesellschaften der Kupferhalden vor.

 

Ziel dieses Projektes ist es, bioaktive Sekundärmetabolite für pharmazeutische und landwirtschaftliche Anwendungen in Form eines Mehrstufenprogrammes zu evaluieren. Die dafür bereits im Center of Life Sciences der Hochschule Anhalt etablierte Isolations- und Extraktion-Plattform pflanzlicher Sekundärmetaboliten soll dazu zielgerichtet modifiziert bzw. angepasst werden. Zudem soll eine Extraktions-, Screening und Formulierungs-Pipeline für bioaktive Naturstoffe, isoliert aus endophytischen Pilzen aus Wurzeln schwermetalltoleranter Pflanzengemeinschaften, entwickelt werden. Nach erfolgreicher Isolierung der endophytischen Pilze erfolgt eine funktionelle Charakterisierung der antifungalen Wirkung dieser Pilze gegen ausgewählte phytophathogene Pilze sowie die taxonomische Identifizierung dieser Endophyten. Für wirksame Pilzisolate werden entsprechende Kultivierung-, Aufschluss und Extraktions- und Trennverfahren zur Gewinnung und Identifizierung der bioaktiven Metaboliten entwickelt. Die Aufklärung der Struktur dieser aktiven Verbindungen sowie die Ermittlung der Struktur-Wirkungsbeziehung erfolgt anhand verschiedener analytischer Methoden wie (präparative) HPLC, NMR, GC-MS und LC-MS/MS.


Teilprojekt 2 – Isolierung, Identifizierung pflanzlicher und pilzlicher sekundärer Naturstoffe und Etablierung einer screening-Plattform auf der Suche nach neuen cytotoischen Verbindungen und Enzyminhibitoren

Sekundäre Naturstoffe aus Pflanzen und Pilzen stellen bedeutende Quellen auf der Suche nach neuartigen pharmazeutischen und kosmetischen Wirkstoffen dar aber auch zur Herstellung von Pflanzenschutzmitteln. Der Bedarf an aus pflanzlichem Material erhaltenen Chemikalien ist in den letzten Jahren kontinuierlich angestiegen. Diese Produkte besitzen jedoch oft komplexe Strukturen und eine Vielzahl funktioneller Gruppen, weshalb es einfacher und vor allem ökonomischer ist, sie durch Extraktion zu erhalten als durch Totalsynthese aus Vorläuferverbindungen petrochemischen Ursprungs. Dieser Zugang ist insbesondere auch nachhaltig. Die hohe und nach wie vor ansteigende Zahl an Publikationen über bioaktive Verbindungen aus Pflanzen, Bakterien, Pilzen und Algen unterstreicht die Bedeutung dieser Untersuchungen. So sind circa 50% aller aktiven pharmazeutischen Inhaltsstoffe der letzten 20 Jahre aus natürlichen Quellen erhalten worden oder von Naturstoffen abgeleitet. Die Anzahl solcher Wirkstoffe ist letztlich sogar noch größer, wenn bestimmte Indikationen betrachtet werden: Der Anteil an von Naturstoffen abgeleiteten Wirkstoffen im Bereich der Antikrebstherapie beträgt rund 74%, im Bereich antibakteriell wirksamer Verbindungen sogar 78%.

In den letzten Jahren konnte eine robuste Plattform zum Testen pflanzlicher Extrakte entwickelt und umgesetzt werden. Innerhalb dieses Projekts soll die existierende Plattform derart erweitert werden, dass ein von Bioaktivität geleitetes Screening von Rohextrakten möglich wird (z.B. durch die Verwendung von 96-well Mikrotiter-Platten in Kombination mit HPLC-ESI-MSn aber auch durch Entwicklung von Schnelltests auf Basis von Farbreaktionen oder „hyphenated“ MS Techniken). Dies wird eine rasche Identifizierung neuartiger cytotoxisch wirkender Verbindungen ermöglichen (unter Verwendung von bis zu 20 unterschiedlichen, menschlichen Krebszelllinien) aber auch das Auffinden neuer Enzyminhibitoren (z.B. für Ureasen, Cholinesterasen, Carbanhydrasen und andere). Auf dieser Plattform werden zur Untersuchung cytotoxischer Aktivität sowohl Färbeverfahren wie auch Fluoreszenzmikroskopie, DANN-Laddering und FACS-basierende Methoden eingesetzt, während die Untersuchung der Verbindungen auf potentielle Enzyminhibition mittels UV-Vis-, Fluoreszenz- und Biolumineszenz-basierender Methoden erfolgt. Bioaktive Extrakte aus Gesamtpflanzen (oder Pilzen) aber auch Extrakte aus einzelnen Kompartimenten werden in die entsprechenden Einzelkomponenten aufgetrennt. Danach wird versucht, ausgehend von diesen Leitmolekülen durch chemische Modifikation Verbindungen zu erhalten, die sowohl höhere Aktivität, bessere Selektivität aber auch verbesserte Bioverfügbarkeit aufweisen.

 

 

Pathogen resistance achieved by plant-induced silencing of fungicide target genes (PARASIT)

Dr. Jochen Kumlehn (Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research) and
Prof. Dr. Holger B. Deising (Martin-Luther-University Halle-Wittenberg)

Industriepartner: KWS Saat SE

 

Phenowood - Entwicklung von Verfahren zur Herstellung von phenolischen Verbindungen aus Holz
Schema zur Umwandlung von Holz zu Lignin und phenolischen Verbindungen, allgemeine chemische Struktur von Lignin; Aryl-Arylether-Bindungen und Aryl-Methylether-Bindungen für die Spaltung zu Phenolen. (Fraunhofer CBP)
Schema zur Umwandlung von Holz zu Lignin und phenolischen Verbindungen, allgemeine chemische Struktur von Lignin; Aryl-Arylether-Bindungen und Aryl-Methylether-Bindungen für die Spaltung zu Phenolen. (Fraunhofer CBP)

Dr. Daniela Pufky-Heinrich (Fraunhofer CBP) und Prof. Dr.-Ing. Thomas Hahn (Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg)

Industriepartner: SunCoal, B+B Engineering

Aus Holz können durch die Depolymerisation von Lignin biobasierte phenolische Verbindung zugänglich gemacht werden. Durch die Spaltung des phenolischen Makromoleküls Lignin lassen sich Gemische aromatischer Synthesebausteine erhalten, die als direkter Rohstoff, z. B. für Phenol- Formaldehydharze, Polyurethane oder in Epoxiden eingesetzt werden können oder sich nach weiterer Auftrennung und Defunktionalisierung zu den klassischen Aromaten Benzol, Toluol, Xylol oder Phenol konvertieren lassen. Hierfür eignen sich unterschiedliche Verfahren wie Hydrolyse, oxidative und reduktive Spaltungen oder enzymatische Umsetzungen.

Der Prozess der basenkatalytischen Depolymerisation (engl. base-catalyzed depolymerization, BCD) von Lignin führt zur Hydrolyse der Ether-Bindungen im Ligninmakromolekül und dadurch zur Bildung von monomeren, dimeren und oligomeren alkylfunktionalisierten aromatischen Verbindungen. In wässrigen oder alkoholischen Systemen wird der BCD-Prozess bei Temperaturen von bis zu 350 °C und bei 250 bar durchgeführt. Am Fraunhofer CBP wurde die Skalierung dieses Verfahrens in den Pilotmaßstab erfolgreich durchgeführt. In einer mehrstufigen Prozessauslegung wurde das kontinuierliche Verfahren der chemischen Spaltung von Lignin und die anschließende Abtrennung und Aufreinigung der Aromatenfraktionen untersucht und optimiert. Mit einer Kapazität von bis zu 20 kg / h wird die alkalische Lösung prozessiert und anschließend kontinuierlich durch mechanische und thermische Trennverfahren aufgearbeitet.

Das Projekt umfasst die weiterführende wissenschaftliche Untersuchung der katalytischen Spaltung von Lignin, um ein tieferes Verständnis für den Reaktionsmechanismus während des Prozesses zu erlangen und so die Produktspezifikationen der Phenolderivaten definieren und die Skalierung abbilden zu können. Darüber hinaus sollen Entwicklung und Optimierungen von Aufarbeitungs- und Aufreinigungsmethoden zur selektiven Abtrennung der Wertprodukte durchgeführt werden. Mit dem Ziel den Technologiereifegrad des BCD-Verfahrens zu erhöhen und somit ein industrierelevantes Gesamtverfahren zu etablieren, müssen die Untersuchungen hinsichtlich eines material- und energieeffizientes Prozessdesign ausgelegt sowie die Bewertung und Umsetzung der technischen Machbarkeit einzelner Prozessschritte herausgestellt werden.