Entwicklung eines Thermodruckhydrolyse-Verfahrens zur Vorbehandlung von Weizenstroh ohne vorherige mechanische Zerkleinerung für die Produktion von Polyhydroxybuttersäure

In der vorliegenden Arbeit wurde der nachwachsende Rohstoff Weizenstroh für die Produktion des Biopolymers Polyhydroxybuttersäure genutzt. Als Lignocellulose enthält Weizenstroh einen hohen Anteil an Glucose und Xylose in Form von Cellulose und Hemicellulose. Eine Gewinnung ist aufgrund der komplexen Struktur mit Lignin als dritte Hauptkomponente nur durch eine Vorbehandlung möglich. Hierzu wurde ein thermochemisches Vorbehandlungsverfahren im halbtechnischen (125 l Reaktor) und technisch (425 l Reaktor) Maßstab mit verdünnter Salpetersäure (bis 1 % v/v) etabliert und hinsichtlich verschiedener Versuchsparameter (Behandlungstemperatur, Säure-Konzentration, etc.) optimiert. Auf eine mechanische Vorbehandlung wurde verzichtet. Danach erfolgte eine enzymatische Hydrolyse der vorbehandelten Biomasse. Der PHB-Produzent Cupriavidus necator DSM 545 wurde eingesetzt, um aus den freigesetzten Zuckern PHB zu synthetisieren. rnDurch die Optimierung der Vorbehandlung konnten bis zu 90 % der Glucose und 82 % der Xylose nach der enzymatischen Hydrolyse aus dem Stroh als Monomere und Oligomere freigesetzt werden. Außerdem wurde eine erfolgreiche Überführung des Vorbehandlungsprozesses in den 425 l Reaktor demonstriert. In den gewonnenen Zucker-Hydrolysaten konnten hohe Zelldichten und PHB-Gehalte mit bis zu 38 % erreicht werden. Eine vorherige kostenintensive Reinigung der Hydrolysate war nicht nötig. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die Reststoffe nach der enzymatischen Hydrolyse, Zellkultur und PHB-Extraktion ausreichendes Potential für eine Biogas-Produktion besitzen. rn

In the thesis presented, the renewable resource wheat straw was used for the production of the biopolymer polyhydroxybutyrate. The straw contains great amounts of the sugars glucose and xylose as a part of celluloses and hemicelluloses. The structure of the lignocelluloses makes a pretreatment necessary. Therefore, a thermochemical process in a technical (125 l reactor) and semi-technical scale (425 l reactor) with diluted acids was developed. Different process parameters (temperature, time, acid concentration, etc.) were optimized. No mechanical pretreatment was performed. The treated biomass was subsequently enzymatically hydrolyzed. The sugar hydrolysates were used for the PHB production with Cupriavidus necator DSM 545. rnWith the optimized treatment parameters, until 90 % of the glucose and 82 % of the xylose were released as monomers and oligomers from the used straw in the 125 l reactor. In addition, a successful up-scaling process in the 425 l reactor was demonstrated. The sugar hydrolysates could be used for an effective cultivation of Cupriavidus necator with a high cell titer and cellular PHB-contents of 38 % after 72 h. A previously purifications of the hydrolysats were not necessary. The remnants after the enzymatic hydrolysis and cell growth have the potential for the production of biogas. rn