Bioraffinerie

Das häufigste Verbindung in Biomasse ist Glucose, die als Monomer, vor allem aber auch als Polymer in Form von Cellulose und Stärke vorkommt.

Bereits heute werden Pflanzenöle, die vor allem aus Triacylglycerinen bestehen, intensiv genutzt. (Die Reste R stehen für die Kohlenwasserstoffketten meist verschiedener Fettsäuren.)

Eine Bioraffinerie ist eine Raffinerie, in der Biomasse zu verschiedenen Produkten verarbeitet wird. Dieses sind zum einen stoffliche Produkte, wie Nahrungs- und Futtermittel, sowie Grund- und Feinchemikalien für die chemische Industrie. Die Produkte werden aus dem Rohstoff isoliert oder durch verschiedene chemische Verfahren aus diesem erzeugt. Zum anderen kann das Produkt Energie in Form von Kraftstoffen, Strom oder Wärme sein.

Das Prinzip der Bioraffinerie ist vergleichbar mit dem einer Erdölraffinerie, in der der komplex zusammengesetzte Rohstoff Erdöl in einzelne Fraktionen oder Komponenten getrennt wird. Teilweise werden diese durch chemische Verfahren in andere, besser absetzbare Verbindungen umgewandelt.

Bioraffinerien sollen unter anderem Erdöl als wichtigen Rohstoff der chemischen Industrie ergänzen und ersetzen. Daneben könnten durch die Vielzahl der verschiedenen chemischen Verbindungen in Biomasse auch neue Anwendungsmöglichkeiten entstehen. Weitere wichtige Faktoren sind Bemühungen zum Klima- und Umweltschutz.

Das Konzept der Bioraffinerie mit einer ganzheitlichen und hochwertigen Nutzung der Biomasse befindet sich derzeit noch in der Entwicklung. In Ansätzen ist dieses Konzept aber bereits umgesetzt, z. B. bei der Herstellung von Zucker, Bioethanol und Biodiesel, wo versucht wird, auch die Neben- bzw. Koppelprodukte hochwertig zu nutzen. Auch Biogasanlagen werden gelegentlich als Bioraffinerie bezeichnet.

Rohstoff Biomasse

(siehe auch Artikel Biomasse)

Das Konzept einer Bioraffinerie hängt wesentlich vom jeweils verfügbaren Rohstoff ab. Diskutiert werden vor allem Konzepte, die Holz, Stärkepflanzen und andere frische oder silierte Pflanzen als Rohstoffbasis vorsehen.

Biomasse ist sehr komplex zusammengesetzt aus zahlreichen verschiedenen organischen Verbindungen in sehr unterschiedlichen Anteilen. Einen großen Anteil an der Masse machen Verbindungen aus, die zu den Fetten, Kohlenhydraten oder Proteinen (Eiweißen) gehören. Daneben finden sich zahlreiche weitere Verbindungen, die aber meist in geringeren Anteilen vorkommen, wie z. B. die Sekundärmetabolite (bzw. Sekundäre Pflanzenstoffe).

Je nach Biomasse, schwanken diese Anteile. Holz beispielsweise hat eine deutlich andere Zusammensetzung, verglichen mit Stärkepflanzen (z. B. Weizen, Mais), Ölpflanzen (Raps, Gras, Soja) oder Pflanzenabfällen.

Anlagenkonzepte

Aufbau einer nicht verholzten (ligninfreien) pflanzlichen Zellwand, Hauptbestandteil ist Cellulose und daneben auch Hemicellulose und Pektin

Beispiel einer möglichen Ligninstruktur; in Lignocellulose ist die aus Fibrillen gebildete Cellulosematrix von dieser Struktur durchdrungen (Ringe: Phenylreste)

In einer Bioraffinerie wird versucht, bestimmte hochwertige Verbindungen aus der Biomasse zu isolieren. Dabei wird die Synthese-Vorleistung der Natur genutzt, um entweder aufwendige, künstliche Herstellungsprozesse zu ersetzen, oder um komplexe, nicht künstlich herstellbare Verbindungen zu gewinnen.

Sie können z. B. für pharmazeutische Zwecke und als Grundchemikalien verwendet werden. Da sie meist nur einen kleinen Anteil ausmachen, bleibt ein Großteil der Biomasse zurück. Daraus können wiederum z. B. Nahrungsmittel, Futtermittel, oder weniger hochwertige Chemikalien gewonnen werden. Nachdem diese stofflich nutzbaren Anteile aus der Biomasse gewonnen wurden, kann der verbleibende Anteil noch energetisch genutzt werden. Es können z. B. Strom und Wärme für den Anlagenbetrieb oder zum Verkauf, oder auch Biokraftstoffe bzw. synthetische Kraftstoffe (BtL, Methanol, Biomethan, etc.) erzeugt werden.

Neben der Gewinnung von Verbindungen, die in der Biomasse vorhanden sind, ist die Erzeugung neuer Verbindungen aus dem Rohstoff ein weiteres Betätigungsfeld innerhalb eine Bioraffinerie. Hier können chemische Verfahren, wie die bereits genannte Erzeugung von synthetischen Kraftstoffen zum Einsatz kommen, aber insbesondere auch biotechnologische Ansätze zur Herstellung höherwertiger Verbindungen.^[1]

Die drei gängigen, diskutierten Anlagenkonzepte sind nach dem jeweiligen Rohstoff benannt:

Lignocellulose-Bioraffinerie

Eine Lignocellulose-Bioraffinerie verwendet den Rohstoff Holz, der zu großen Teilen aus Lignocellulose - einer Struktur aus Lignin und Cellulose - und Hemicellulose besteht. Auch ähnlich zusammengesetzte Biomasse, wie Stroh und Gras, sowie Abfälle aus der Papierindustrie, wie z. B. die in großen Mengen anfallende ligninreiche Schwarzlauge, können eingesetzt werden.^[1][2]

Lignin besteht vor allem aus Derivaten der aromatischen Verbindung Phenol, die für die chemische Industrie nützliche sein könnte. Cellulose ist ein Polysaccharid (Vielfachzucker) aus dem Monomer Glucose (eine Hexose). Diese kann zu verschiedenen Grundchemikalien, wie z. B. Ethanol und Ethen als Ausgangsprodukt zur Herstellung von Polyethylen (PE) und Polyvinylchlorid (PVC) oder zu Hydroxymethylfurfural als Ausgangsprodukt zur Herstellung von Nylon, weiterverarbeitet werden. Daneben ist Glucose ein Substrat für biotechnologische Herstellungsprozesse durch Fermentation. Hemicellulose ist ebenfalls ein Polysaccharid, allerdings aus verschiedenen Pentosen als Monomer. Diese können ebenfalls zu einem bestimmten Furfural-Derivat bzw. Nylon und anderen Produkten verarbeitet werden.^[1][3]

Ganzpflanzen-Bioraffinerie

(siehe auch Stärke als nachwachsender Rohstoff und Zucker als nachwachsender Rohstoff)

Amylose ist einer der beiden wichtigsten Stärkebestandteile,Ausschnitt aus einem Polymer

Amylopektin ist der andere wichtige Stärkebestandteil, Ausschnitt aus einem Polymer

Eine Ganzpflanzen-Bioraffinerie verwendet die vollständige Nutzpflanze, wie z. B. Mais, Weizen, Roggen, Triticale etc.. Die Pflanzen bestehen im Wesentlichen aus dem Korn und dem lignocellulosereichen Stroh, die in der Regel bereits bei der Ernte mit einem Mähdrescher getrennt werden. Das Stroh kann in einer Lignocellulose-Bioraffinerie weiterverarbeitet werden oder durch Pyrolyse in Synthesegas (Syngas) umgewandelt werden. Dieses bildet die Basis für synthetische Kraftstoffe wie Biomass-to-Liquid (BtL) oder Methanol. Das Korn besteht vor allem aus dem Glucose-Polymer Stärke, die vielfältig weiterverarbeitet werden kann. Sie kann z. B. direkt als Rohstoff der Lebensmittel- oder chemischen Industrie verwendet werden. Auch die Herstellung von Biokunststoffen, wie z. B. thermoplastischer Stärke und die Verwendung als Fermentationssubstrat sind möglich.^[1]

Grüne Bioraffinerie

Die Grüne Bioraffinerie verwendet Pflanzenmaterial, wie z. B. Gras, Klee, Luzerne oder auch unreifes (grünes) Getreide aus der Landwirtschaft.^[1] Ein wesentlicher Unterschied zu den anderen beiden Konzepten ist, dass die frische Pflanze verwendet wird, deren Inhaltsstoffe sich von Holz oder abgereiften Pflanzen deutlich unterscheidet. Der erste Aufbereitungsschritt ist das Abpressen des Pflanzensafts. Der Presskuchen enthält vor allem Fasern (Cellulose), wie auch Stärke, Farbstoffe und Pigmente. Im Presssaft finden sich Proteine, Aminosäuren, organische Säuren etc.. Daraus könnten z. B. Produkte wie Milchsäure, Aminosäuren, Ethanol etc. isoliert werden. Der Presskuchen kann als Futtermittel, zur Erzeugung von Syngas und Biogas oder auch zur Gewinnung von chemischen Verbindungen verwendet werden.^[1][4][5]

Beispiele

Grüne-Bioraffinerie-Demonstrationsanlage in Utzenaich

Milchsäure kann ein wichtiges Produkt von Grünen Bioraffinerien sein, z. B. zur Verwendung als Plattformchemikalie.

In Österreich wurde im Mai 2009 eine Grüne Bioraffinerie als Demonstrationsanlage eröffnet. Es wird Grassilage verwendet, aus der Aminosäuren und Milchsäure gewonnen werden sollen. Feste Anteile werden in einer Biogasanlage energetisch verwertet. Es können 4 t Grassilage pro Stunde bzw. 100 l Pressaft pro Stunde verarbeitet werden. Pro Tonne Silage-Trockensubstanz können 150 bis 210 kg Milchsäure und 80 bis 120 kg Rohprotein (Aminosäuren) gewonnen werden. Ziel ist das Gewinnen von Erkenntnissen, welche die Konzipierung industrieller Anlagen unterstützen.^[5][6]

Lignocellulose-Bioraffinerie-Laboranlage in Leuna

In einem von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. koordinierten Projekt wurden seit 2007 Verfahrenskonzepte für Lignocellulose-Bioraffinerien entwickelt. In einem Nachfolgeprojekt soll in Leuna (Sachsen-Anhalt) eine erste Versuchsanlage aufgebaut werden, die täglich 1,25 t Holz verarbeitet. Langfristig werden Anlagen mit Verarbeitungskapazitäten von 400.000 t/a für möglich gehalten.^[7]

Biowert-Anlage Brensbach

Die Biowert-Anlage arbeite mit einem an die Grüne Bioraffinerie angelehnten Prinzip. Als Rohstoff dient Gras bzw. Grassilage. Diese wird gepresst und der flüssige Anteil in einer Biogasanlage, die auch Prozessenergie bzw. Prozesswärme liefert, vergoren. Der Presskuchen enthält einen hohen Faseranteil, aus dem Dämmstoffe oder faserige Zusätze für Kunststoff (Naturfaserverstärkter Kunststoff) erzeugt werden.^[8]

Verfahren und Produkte

(siehe auch Artikel Stärke als nachwachsender Rohstoff, Zucker als nachwachsender Rohstoff und Nachwachsender Rohstoff)

In Bioreaktoren können aus der Biomasse andere Verbindungen erzeugt werden, wie z. B. auch sehr hochwertige Produkte für die Pharmaindustrie: Anlage zur Herstellung von Vakzinen

In der Bioraffinerie ist eine Vielzahl von Verfahren notwendig, um den Rohstoff aufzubereiten, bestimmte Fraktionen zu isolieren und mit chemischen, chemisch-physikalischen und biotechnologischen Verfahren weitere Verbindungen abzuleiten:^[4][6]

• Aufbereitung z. B. durch:
  • Pressen
  • Zerkleinerung durch Mahlen, Häckseln, etc.

• Trennen und Isolieren durch (siehe auch Trennverfahren (Verfahrenstechnik):
  • Sieben und Filtration
  • Extraktion
  • Chromatographie
  • etc.

Mit diesen Verfahren lassen sich bereits in der Biomasse vorhandene Stoffe und Verbindungen gewinnen. Durch chemische Veränderung läßt sich das Produktspektrum aber noch deutlich erweitern:

• Verarbeitung mit chemischen und chemisch-physikalischen Verfahren:
  • Pyrolyse zur Herstellung von Synthesegas
  • Verwendung von Synthesegas zur Synthese neuer Verbindungen, z. B. BtL und anderen Kohlenwasserstoffen durch Fischer-Tropsch-Synthese
  • Verbrennung zur Erzeugung von Strom und Wärme

• Chemische Veränderung mit biotechnologischen Verfahren (siehe auch Biotechnologie und Weiße Biotechnologie):
  • Verwendung des Rohstoffs bzw. von Anteilen für Fermentationen, z. B. zur Herstellung von Grund- und Feinchemikalien, Ethanol, Biogas, Rohstoffen zur Herstellung von Biokunststoffen, Vitaminen, Aminosäuren etc.
  • Biokatalyse mit isolierten Enzymen zur Modifikation bestimmter Verbindungen, z. B. mit Amylasen zur hydrolytischen Spaltung von Stärke zu Glucose

Perspektive

Nach einer Marktstudie von Festel betrug 2001 der Anteil biotechnologisch hergestellter Chemikalien mit 30 Milliarden US-$ rund 2,5 % des Gesamtmarktes.^[9] Bis 2010 wurde ein Anstieg auf ca. 20 % (310 Milliarden US-$ bei einem Gesamtumsatz von 1600 Milliarden US-$) prognostiziert.^[9] Im Jahr 2007 betrug der Anteil 48 Milliarden US-$, was 3,5 % entsprach.^[10] Der Anteil der biotechnologisch produzierten Arzneistoffe betrug 2010 17 %.^[11]

Die Entwicklung der Bioraffinerie wurde in den USA in den vergangenen Jahren intensiv vorangetrieben. In die Förderung von Biomasse wurden jedes Jahr rund 360 Mio. US-Dollar investiert (2003: ca. 420 Mio. US-Dollar, 2005: ca. 310 Mio. US-Dollar). Dort erwarten Experten, dass bis 2020 ein Viertel der derzeitig fossil-basierten organischen Grundstoffe und 10 % der Öle und Kraftstoffe mittels Bioraffinerie-Technologien produziert werden.

In der EU wurde in die Forschung zur Nutzung von Biomasse im Zuge des 6. Forschungsrahmenprogramms von Mitte 2002 bis 2006 insgesamt 74 Mio. Euro investiert. Im 7. Forschungsrahmenprogramm (2007–2013) wurde der jährliche Gesamtetat um 40 % erhöht, so dass auch bei der Forschung zur Biomassenutzung mit einer Erhöhung zu rechnen ist.^[12]

Einzelnachweise

Literatur

• K. Arnold, D. Maga, U.Fritsche u.a.: BioCouple – Kopplung der stofflich/energetischen Nutzung von Biomasse - Analyse und Bewertung der Konzepte und der Einbindung in bestehende Bereitstellungs- und Nutzungsszenarien, Endbericht von Wuppertal-Institut, Fraunhofer UMSICHT und Öko-Institut zum BMU-geförderten Vorhaben FKZ-Nr. 03 KB 006 A-C, Wuppertal/Oberhausen/Darmstadt pdf-Datei 6,5 MB.

• G. Festel et.al.: Der Einfluss der Biotechnologie auf Produktionsverfahren in der Chemieindustrie, Chemie Ingenieur Technik 2004, 76, No. 3, S. 307–312
• Biobased Industrial Products: Research and Commercialization Priorities (2000) Commission on Life Sciences (CLS). Der Text diente als Fachvorlage zur „Präsidentenorder“ Nr.: 13101 zur Auflage eines gleichnamigen FuE-Programms in den USA bis zum Jahre 2010.
• B. Kamm, M. Kamm: Biorefinery-Systems, Chemical and Biochemical Engineering Quarterly 2004, 18 (1), S. 1–6, pdf-Datei.
• B. Kamm, P. Gruber, M. Kamm: Biorefineries - Industrial Processes and Products, Wiley-VCH, 2006, ISBN 978-3-527-31027-2, umfassendes, zweibändiges Werk zum status quo und zur zukünftigen Entwicklung des Konzepts Bioraffinerie.
• A. Demirbas: Biorefineries. For Biomass Upgrading Facilities. Springer-Verlag, London 2010. ISBN 978-1-84882-720-2.

Weblinks

• International Energy Agency (IEA) Bioenergy Task 42: Bioraffinerien.
• Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR), Internetpräsenz der FNR, öffentlich finanzierte Einrichtung zur Forschung, Entwicklung, Markteinführung, Öffentlichkeitsarbeit etc. im Bereich Nachwachsende Rohstoffe, umfassende Informationen als pdf oder Druckversionen frei verfügbar
• MONITORING Industrielle stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe, Monitoring des Büros für Technikfolgenabschätzung des Deutschen Bundestags zur „Industriellen stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe“
• BIO-raffiniert – Nützliches rund um das Thema Bioraffinerie – Forum von Forschungseinrichtungen, Interessensverbänden und anderen, das den Themen Bioraffinerie und der weißen Biotechnologie zu mehr Beachtung verhelfen will
• biorefinica – tagungs- und symposiennetzwerk – Tagungs- und Symposiennetzwerk biobasierte industrielle Produkte, Prozesse und Bioraffinerien, inklusive der Vorträge verschiedener Tagungen
• FABRIK der Zukunft, österreichisches, öffentlich gefördertes Projekt zur Unterstützung der Entwicklung von nachhaltigen Technologien, wie z. B. Bioraffinerien; aktuelle und Hintergrundinfos zu Bioraffinerien
• Bioraffinerien ersetzen die Petrochemie, Bericht vom 6. November 2009 auf www.pflanzenforschung.de, Informationsportal des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF)
• Chemikalien aus der Bioraffinerie, umfassender Bericht in der Neuen Zürcher Zeitung (NZZ), vom 21. November 2007, online verfügbar