16.10.2015
ForschungUmwelt

Bioraffinerien - Der Weg zur biologischen Raffinerie

  • © James Mason-Hudson© James Mason-Hudson
  • © James Mason-Hudson
  • Abb. 1: Schematische Darstellung der Verfahrenskette der Bioraffinerie [2].
  • Abb. 2: Schematische Darstellung der biofermentation Stoffwandlung am Beispiel von biogenen Rest- und Abfallstoffen.

In Bioraffinerien werden grundlegende Prozesse fossiler Rohstoffverwertung auf biomassebasierte Systeme übertragen. Das National Renewable Energy Laboratory hat folgende Definition für Bioraffinerien veröffentlicht: „A biorefinery is a facility that integrates biomass conversion processes and equipment to produce fuels, power and chemicals from biomass. The biorefinery concept is analogous to today’s petroleum refineries, which produce multiple fuels and products from petroleum. Industrial biorefineries have been identified as the most promising route to the creation of a new domestic biobased industry” [1].


Diese Definition lässt sich durch die von der deutschen Bundesregierung vorgeschlagene Definition und Einteilung für Bioraffinerien erweitern: „Als Bioraffinerie-Plattform bezeichnet man die bei der Primärraffination entstehenden Zwischenprodukte, die wiederum Ausgangsstoffe für die nachfolgende Sekundärraffination sind. Unter den Bioraffineriekonzepten haben sich folgende Pfade herauskristallisiert, die sich im Wesentlichen durch ihre Plattform und damit auch durch die Art der Sekundärraffination unterscheiden: (a) Zucker-Bioraffinerie bzw. Stärke-Bioraffinerie, (b) Pflanzenöl-Bioraffinerie bzw. Algenlipid-Bioraffinerie, (c) Lignocellulose (Cellulose, Hemicellulose und Lignin)-Bioraffinerie bzw. Grüne Bioraffinerie, (d) Synthesegas-Bioraffinerie und (e) Biogas-Bioraffinerie“ [2].

Produkte

Basierend auf den stofflichen Eigenschaften des verwerteten Rohstoffes wird ein Produktstammbaum erstellt, in denen über Zwischenstufen Veredelungsprodukte entstehen. Die Raffination beginnt, wie auch in einer herkömmlichen Raffinerie, mit der Fraktionierung des Rohstoffes. Es folgen Konversions- und abschließend Veredelungsprozesse. Dabei bezeichnet der Begriff „Bioraffinerie“ weder generell eine Anlage, in der Biomasse verarbeitet wird, noch einen einzelnen Konversionsschritt, sondern vielmehr ein Gesamtkonzept, das sich vor allem durch Integration unterschiedlichster Prozessschritte und Technologien zur Produktion einer ganzen Palette an Produkten aus dem komplexen Rohstoff Biomasse auszeichnet.

Im Vordergrund steht dabei auch ein geschlossener Stoffkreislauf, bei dem alle Komponenten einer Ressource so gut als möglich verwertet und Abfallstoffe wiederum an anderer Stelle in den Prozess integriert oder einer alternativen Produktlinie zugeführt werden. Diese Bildung mehrerer Produkte aus einem Rohstoff, in einem gemeinsamen Prozess, stellt eines der charakteristischsten Merkmale und zugleich größten Potentiale der Bioraffinerie dar.

Rohstoffe

Bioraffinerien können, je nach Auslegung, auf Basis unterschiedlicher Anbaubiomasse betrieben werden. Als herkömmliche Anbaubiomasse werden Pflanzen bezeichnet, die traditionellerweise in der Nahrungs- und Futtermittelindustrie Verwendung finden. Dazu gehören unter anderem Mais, Sojabohnen oder Zuckerrohr. Diese Rohstoffe sind als Ausgangsstoff für die energetische Verwertung als auch zur Produktion von Chemikalien potentiell geeignet und stehen teilweise in direkter Konkurrenz zur Verwendung als Nahrungs- oder Futtermittel. Anbaubiomasse, die in der land- und forstwirtschaftlichen Produktion anfällt, wie etwa Stroh, Waldrestholz wird als Non-Food-Biomasse bezeichnet. Diese können aber auch bei der Weiterverarbeitung von pflanzlicher Biomasse in der Nahrungsmittelindustrie entstehen, Beispiele dafür sind Maisspindeln, Kartoffelpülpe oder Rapspresskuchen. Industrielle biogene Reststoffe sind anfallende Verarbeitungs- und Produktionsrückstände sowie Restbiomasse aus Fermentationsprozessen, wie z. B. Gärreste oder Schlempe bzw. der Lebensmittelproduktion, wie Molke, Trester oder Fruchtschalen. In Form von aquatischer Biomasse werden vor allem Makroalgen und Seegräser als Rohstoffe genutzt.

Prozessierung

Die Prozesse in Bioraffinerien dienen der Fraktionierung, Raffination und Veredelung von Biomasse, um so durch Stoffwandlungen unterschiedliche Endprodukte mit gesteigertem Marktwert zu gewinnen. Dazu wird die Biomasse über physikalische Prozesse in ihre Bestandteile zerlegt (Primärraffination), die anschließend in chemischen und mikrobiologischen Stoffwandlungen zu Haupt- und Nebenprodukten umgesetzt werden (Sekundärraffination). Bei der Primärraffination wird die Ausgangsbiomasse vorbehandelt und konditioniert und anschließend die enthaltenden Komponenten in Intermediate, wie beispielsweise Cellulose, Zucker, Pflanzenöl, Lignin, Stärke, Pflanzenfasern, Bio- und Synthesegas, aufgetrennt. In der nachfolgenden Sekundärraffination wird aus diesen Rohprodukten über Stoffwandlungs- und Veredelungsschritte eine Vielzahl an Endprodukten hergestellt. Die Koppelungsprodukte, die während dieser Konversionsprozesse entstehen, können entweder für die Gewinnung von Energie genutzt oder zu Nahrungs- und Futtermitteln weiterverarbeitet werden. (Abb.1.).

In der Primärraffination kann zwischen thermochemischen und mechanisch-physikalischen Vorbehandlungen (z. B. Säureaufschluss, Steam Explosion, Organosolv-Verfahren) unterschieden werden. Thermochemische Prozesse, die bei der Biomasse-Verarbeitung zum Einsatz kommen, sind einerseits eine so genannte Vergasung, bei der der Rohstoff konstant bei hohen Temperaturen über 700 °C mit niedriger Sauerstoffzufuhr zu Synthesegas umgewandelt wird und andererseits die Pyrolyse. Während der Pyrolyse wird bei mittleren Temperaturen unter Sauerstoffausschluss das Ausgangsmaterial zu Pyrolyseöl, Holzkohle und Synthesegas umgewandelt. Eine weitere Möglichkeit stellt die Verbrennung von Biomasse zur Wärmegewinnung dar.
Thermochemische Prozesse verändern den Aufbau eines Substrates durch Reaktion mit anderen Stoffen, wie etwa bei der Hydrolyse oder der Umesterung. Bei der Hydrolyse werden Säuren, Basen oder Enzyme genutzt, um Polymere in ihre Grundbausteine zu zerlegen oder sie zu ihren Derivaten umzusetzen. Die Umesterung ist ein chemischer Prozess zur Konversion von Pflanzenfetten zu Methyl- oder Ethylestern ihrer Fettsäuren, die in der Pflanzenöl-Bioraffinerie für Biodiesel Verwendung findet. Mechanische Vorbehandlungen verändern im Gegensatz zu thermochemischen die Zusammensetzung des ursprünglichen Rohstoffs nicht. Die Biomasse wird dabei zerkleinert oder in ihre Bestandteile aufgetrennt. Bei der biochemischen /-technologischen Raffination (oder auch als Fermentation bezeichnet) werden natürlich vorkommende metabolische Vorgänge von Zellen (z. B. Mikroorganismen oder Algen, nativ oder transgen) genutzt, um ein Substrat in ein Produkt zu wandeln (Abb 2).

Die mehrheitlich mesophil ablaufenden Biofermentationen  können in aerob/anaeroben sowie homo- oder heterogenen Bioreaktionen unterteilt werden. Die heterogene Biofermenation unterscheidet sich von der homogenen durch eine Trennung zwischen Katalysator- und Substratphase. Diese Phasentrennung kann dazu führen, dass heterogene Reaktionen ideale Voraussetzungen für die wirtschaftlich interessante kontinuierliche Betriebsweise besitzen. Entstehende Bioraffinerieprodukte lassen sich in zwei große Kategorien einteilen: materielle Produkte, die aufgrund ihrer chemischen oder physikalischen Eigenschaften erzeugt werden, und Energie. Manche Produkte, wie etwa Bioethanol können beiden Klassen zugeordnet werden.

Beachtenswert ist, dass die Trennung des Produktes von der Fermentationsbrühe ein ressourcenaufwendiger Schritt ist. Extrazelluläre Produkte sowie Gase lassen sich einfacher abtrennen. Für interzelluläre Speicherprodukte werden Schritte des klassischen down stream processings notwendig. Je nach Komplexität des gewählten Aufreinigungsprozesses für ein intrazellulär gebildetes Produkt können sich die Kosten erhören (Abb. 2).

Fazit

Bioraffinerien haben das Potential, bei der Lösung zukünftiger Probleme eine wichtige Rolle zu spielen. Damit Bioraffinerien jedoch kommerziell erfolgreich genutzt werden können, sind weitere Entwicklungen im Bereich der unlimitierten Rohstoffversorgung, der Vergrößerung des Maßstabs von Laboranlagen hin zu Industriekonzepten, der Optimierung der Verfahren zum Aufschluss von Biomasse in der Primärraffination sowie Prozessentwicklungen zur Konversion stofflicher Produkte in der Sekundärraffination notwendig. Erstrebenswert ist eine Nutzung von Ausgangsstoffen, deren Anbau und Verwendung in keiner Konkurrenz zur Herstellung von Nahrungsmitteln steht, wie beispielsweise Reststoffe aus der Wald- und Forstwirtschaft, Algen oder Abfallsubstrate. Deren Aufbau ist jedoch oft komplexer als die bisher verwendeten biogenen Rohstoffe, was z. B. den Zugang zu den enthaltenen Kohlenstoffquellen zur Fermentation erschwert. Damit die Bioraffinerie-Anlagen jedoch wettbewerbsfähig biogene Treibstoffe und Chemikalien produzieren können, müssen neue Verfahren zur Konditionierung und neue Zellen (z.B. Mikroorganismen oder Algen) gefunden werden sowie weitere potentielle non-food-Abfallsubstrate [3]. Es wird daher auch notwendig sein, neue Organismen zu finden oder vorhandene so zu verändern, dass sie diese Substratarten abbauen und verwerten können bzw. diese Fähigkeiten durch metabolic engineering erlangen. Zukünftig wird auch das Potential der Verwertung von festen Substraten in der heterogenen Fermentation eine Rolle spielen. Dieser Fermentationstyp könnte dazu beitragen, dass eine Überführung insbesondere der festen biogenen non-food-Abfallstoffe in wässrige, verdünnte Submersfermentationen nicht mehr notwendig wird, was wiederum in der Folge zum einen zu einer Erhöhung der Nutzungsmöglichkeiten potentiell denkbarer Substrate für die Bioraffinerie und zum anderen zu einer Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Bioraffinerien führen kann.

Literatur
[1] National Renewable Energy Laboratory.
[2] Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV), Roadmap Bioraffinerien im Rahmen der Aktionspläne der Bundesregierung zur stofflichen und energetischen Nutzung nachwachsender Rohstoffe (2014)
[3] Kilic B. and Bach K.: (Eds: C. A. Brebbia, V. Popov), Food and Environment II (2013)

Autoren
K. Angerer, B. Kilic, K. Bach

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