10.10.2017
ForschungUmwelt

Die effiziente Nutzung biogener Reststoffe

Biogas oder funktionalisierte Kohlenstoffverbindungen

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  • Abb. 1: Nutzung biogener Reststoffe in Bioraffinerien
  • Abb. 2: Auswahl an mittels verschiedener biogener Reststoffe hergestellten Produkten
Täglich fallen weltweit erhebliche Mengen biogener Reststoffe, z. B. in Form von Lebensmittelabfällen und Agrarreststoffen, an. Diese Reststoffe werden überwiegend einer energetischen Verwertung zugeführt, jedoch zwingt uns der Mangel an funktionalisierten Kohlenstoffverbindungen, besonders aufgrund der Limitierung von Erdöl und Erdgas, biogene Reststoffe zukünftig effizienter zu verwerten.
 
In Deutschland hat sich in den letzten Jahren die energetische Nutzung von biogenen Reststoffen durchgesetzt. In Biogasanlagen z. B. werden diese anaerob zu Biogas umgesetzt, das anschließend in Blockheizkraftwerken zur Energie- und Wärmegewinnung verbrannt wird. Die Produktion von Biogas lässt jedoch keine effiziente Nutzung biogener Reststoffe zu. Funktionalisierte Verbindungen, wie Kohlenhydrate, Proteine und Fettsäuren, gehen verloren. Weiterhin geht rund die Hälfte des in den Reststoffen vorkommenden Kohlenstoffs als Kohlendioxid verloren. Die Bioökonomie jedoch benötigt funktionalisierte Verbindungen, um die Einrichtung einer biobasierten Gesellschaft voranzutreiben. 
 
Nachwachsend und Nachhaltig
 
Biogene Reststoffe sind nachwachsende Rohstoffe, aber nicht jeder nachwachsende Rohstoff ist auch ein nachhaltiger Rohstoff. Für die Produktion von Biomasse wird Land, Wasser, Energie, Dünger und Zeit benötigt. Den Aufwand muss man berücksichtigen, wenn es darum geht, Verwertungskonzepte effizient zu gestalten. Es macht z. B. wenig Sinn, Biomasse einzig zur Energiegewinnung einzusetzen, wenn anfangs mehr Energie zur Produktion aufgebracht werden muss als letztendlich gewonnen werden kann. Um diese Problematik zu umgehen, empfiehlt der deutsche Bioökonomierat eine kaskadische Nutzung von Biomasse, die zuerst eine Produktion von Lebens- und Futtermitteln vorsieht. Reststoffe sollen anschließend der materiellen und zu guter Letzt der energetischen Nutzung zugeführt werden (Abb. 1).
 
Neue Verfahren
 
In den letzten Jahren wurde an neuen Verwertungsverfahren gearbeitet, um das Potenzial biogener Reststoffe als Quellen von Chemikalien und Materialien zu nutzen [1].

Die Verfahren basieren hauptsächlich auf Hydrolyse und Konversion der Hydrolyseprodukte zu hochwertigen Verbindungen mittels chemischen und/ oder biologischen Methoden. Die Vorbehandlung biogener Reststoffe mittels Hydrolyse ist ähnlich des Hydrolyseverfahrens der Biogasproduktion, jedoch werden bei der materiellen Nutzung die entstandenen Hydrolyseprodukte in der Regel zu höherwertigen Verbindungen umgesetzt. Um den vorhandenen Kohlenstoff effizient zu nutzen, gilt es dabei zu beachten, dass während der Umsetzung so wenig Kohlendioxid wie möglich entsteht. 

 
Vermeiden oder Verwerten
 
Ein Thema, das weltweit zur Initiierung verschiedenster Projekte geführt hat, ist die Verwertung von Lebensmittelabfällen. Lebensmittelabfälle entstehen während der Produktion, der Verarbeitung oder beim Verbraucher. 18 Millionen Tonnen Lebensmittelabfälle fallen in Deutschland jährlich an. Die Produktion von Lebensmitteln bindet Ressourcen in Form von Energie, Land, Wasser und Dünger. Diese Ressourcen landen letztendlich ebenfalls im Abfall. Weiterhin werden erhebliche Mengen an Treibhausgasen freigesetzt. In erster Linie sollte die Produktion von Lebensmittelabfällen vermieden werden. Studien zeigen allerdings, dass die Produktion weiter zunimmt! Wie verwertet man Lebensmittelabfälle also richtig, wenn man diese nicht vermeiden kann? 
Die Methoden der „Weißen Biotechnologie“ erlauben die Produktion von Spezialverbindungen zum Zwecke der effizienten Reststoffnutzung (Abb. 1). Im Vergleich zur Produktion von Biotreibstoffen erzeugt die Produktion von z. B. Chemikalien und Polymeren aus biogenen Reststoffen einen zwei- bis viermal höheren Wert und schafft sechs- bis achtmal mehr Arbeitsplätze sowie benötigt weniger Ausgangsstoffe [1]. 
 
Kohlenstoff
 
Kohlenstoff sollte so effizient, so umweltfreundlich und so profitabel wie möglich genutzt werden. Die Bereitstellung von nachhaltigem Kohlenstoff ist jedoch das Hauptproblem der Bioökonomie. Besonders der Transport von Biomasse ist kostenintensiv. Intensive Forschungsaktivitäten werden in Zukunft notwendig sein, um die Nutzung biogener Reststoffe dort durchzuführen, wo diese anfallen. Die Entwicklung wird in Richtung integrierte Bioraffinerien gehen, um lokal anfallende biogene Reststoffe dezentral zu verwerten und die erhaltenen Produkte direkt dem Verbraucher zuzuführen (Abb. 1 und 2). Es wird dabei um bedarfsorientierte Verwertungen gehen. Strategien sollten nicht darauf abzielen, so viel wie möglich von einem Produkt herzustellen, sondern sich nach dem Bedarf der Verbraucher zu richten. Dafür benötigt man flexible Bioraffinerien und flexible Verfahren, die man auf den jeweiligen biogenen Reststoff und den jeweiligen Bedarf ausrichten kann. 
 
Produkte
 
Abbildung 2 zeigt eine Auswahl an Produkten, die mittels verschiedener biogener Reststoffe hergestellt werden können. Biogene Reststoffe wurden z. B. erfolgreich mittels Bakterien für die Produktion von Bernsteinsäure, Milchsäure und Polyhydroxybuttersäure verwendet. Alle drei Verbindungen können für die Synthese von Bioplastik genutzt werden. Milchsäure wird dabei chemisch zu Polymilchsäure polymerisiert, ein Bioplastik, das aufgrund seiner Eigenschaften als Verpackungsmittel für Lebensmittel verwendet werden kann und unter geeigneten Bedingungen in industriellen Kompostieranlagen bioabbaubar ist. Ähnliches gilt für auf Bernsteinsäure basierende Polymere. Das Polymer Polyhydroxybuttersäure wird sogar direkt von Mikroorganismen gebildet und bedarf keiner chemischen Polymerisation [2]. 
Auch Mikroalgen sind in der Lage, die durch Hydrolyse von biogenen Reststoffen gewonnenen Nährstoffe zu nutzen. Heterotrophe Mikroalgen benötigen im Gegensatz zu phototrophen Mikroalgen kein Licht, wodurch die Problematik von Photolimitierung und -sättigung umgangen wird und rund 100-fach höhere Biomassekonzentrationen erzielt werden können. Heterotrophe Mikroalgen speichern ebenfalls wie ihre phototrophen Verwandten Fettsäuren in Form von Lipiden. Darunter finden sich auch polyungesättigte Fettsäuren, wie α-Linolensäure oder Docosahexaensäure, die einerseits für den Menschen essentielle Fettsäuren sind und andererseits aufgrund der Existenz von Doppelbindungen die Möglichkeit der Synthese von biobasierten Weichmachern bieten [3]. Um diese polyungesättigten Fettsäuren zu synthetisieren, benötigen heterotrophe Algen organische Kohlenstoffverbindungen in Form von Zuckern, die aus biogenen Reststoffen gewonnen werden können [4]. 
 
Fazit
 
Durch geeignete Bioraffineriekonzepte ist es möglich, biogene Reststoffe in eine Vielzahl von biobasierten Produkten umzuwandeln, die eine Verwertung weit über die Möglichkeiten einer energetischen Nutzung hinaus erlauben. Dies soll jedoch nicht bedeuten, dass die energetische Verwertung komplett einzustellen ist! Wir müssen uns jedoch im Klaren sein, dass funktionalisierte Kohlenstoffverbindungen limitiert sind und es daher zuallererst gilt, die Ressource biogene Reststoffe effizient zu nutzen. Energie steht in Form von Windkraft und Solarenergie zur Verfügung und diese erneuerbaren Energiequellen gilt es ebenfalls - besonders in einer Industrienation wie Deutschland - effizient zu nutzen.
 
Autor
Daniel Pleissner
 
Kontakt  
Daniel Pleissner
Juniorprofessor für Nachhaltige Chemie mit Fokus auf Ressourceneffizienz
Leuphana Universität Lüneburg
Fakultät für Nachhaltigkeit
 

 

Referenzen:

[1] Koutinas AA, Vlysidis A, Pleissner D, Kopsahelis N, Garcia IL, Papanikolaou S, Kookos I, Lin CSK. 2014. Valorization of industrial waste and by-product streams via fermentation for the production of chemicals and biopolymers. Chemical Society Reviews, 43, 2587-2627, doi:10.1039/c3cs60293a

[2[ Pleissner D, Lam WC, Han W, Lau KY, Cheung LC, Lee MW, Lei HM, Lo KY, Ng WY, Sun Z, Melikoglu M, Lin CSK. 2014. Fermentative polyhydroxybutyrate production from a novel feedstock derived from bakery waste. Biomed Research International, doi:10.1155/2014/819474

[3] Pleissner D, Lau KY, Schneider R, Venus J, Lin CSK, 2015b. Fatty acid feedstock preparation and lactic acid production as integrated processes in mixed restaurant food and bakery wastes treatment. Food Research International, 73, 52-61, doi:10.1016/j.foodres.2014.11.048

[4] Pleissner D, Lau KY, Zhang C, Lin CSK, 2015a. Plasticizer and surfactant formations from food wastes and algal biomass derived lipids. ChemSusChem, 8, 1686-1691, doi:10.1002/cssc.201402888

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