„Das Konzept der Bioraffinerie - Schlüssel für Ressourceneffizienz“

Birgit Kamm

150 Jahre nach Beginn der Kohlechemie und 50 Jahre nach Beginn der Erdölchemie tritt die Industrielle Chemie in ein neues Zeitalter. Im 21. Jahrhundert wird die Nutzung nachwachsender Rohstoffe in der stoffwandelnden Industrie an Bedeutung gewinnen. Die partielle oder gar vollständige Umstellung ganzer Volkswirtschaften auf erneuerbare Rohstoffe erfordert völlig neue Ansätze in Forschung, Entwicklung und Produktion. Ein Ansatz ist die Entwicklung von Bioraffinerie-Technologien und Systemen.

Die Mehrzahl der biologischen Rohstoffe wird in der Landwirtschaft, der Waldwirtschaft und durch mikrobielle Systeme produziert. Waldbaupflanzen sind ein hervorragender Rohstoff für die Papierherstellung, für Holzwerkstoffe und die Bauwirtschaft. Abfallbiomassen aus der Agrarwirtschaft sowie Biomassen der Natur- und Landschaftspflege sind wertvolle organische Rohstoffreservoire und entsprechend ihrer organischen Zusammensetzung zu nutzen.

Im Hinblick auf den Erhalt des Lebensstandards unserer wie nachfolgender Generationen wird es eine wichtige Aufgabe sein, die Funktionsweise der Erdölraffinerien auf Biomasse verarbeitende Bioraffinerien zu übertragen. Diese nutzen dann in Analogie in großer Menge verfügbare biologische Rohstoffe bzw. Rest- und Abfallstoffe der Agro- und Lebensmittelproduktion.

Die Petrochemie beruht auf dem Prinzip, aus Erdöl einfach zu handhabende und definierte, chemisch reine Grundstoffe in Raffinerien zu erzeugen. In effizienten Produktlinien wurde ein System des Stammbaumes aufgebaut, in dem aus Basischemikalien Zwischenprodukte und Veredlungsprodukte erzeugt werden. Will man das Funktionsprinzip von Erdölraffinerien auf Bioraffinerien übertragen, muss man bedenken, dass Biomasse die Syntheseleistung der Natur enthält und ein anderes C:H:O:N-Verhältnis als Erdöl hat. Die Verknüpfung von Biotechnik und chemischer Stoffwandlung spielt eine große Rolle (Abb.1).

Abbildung 1: Vergleich der Basisprinzipien der Erdölraffinerie und der Bioraffinerie

In der Europäischen Chemischen Industrie geht man davon aus, dass 30% der Rohstoffe bis zum Jahre 2025 auf Basis von Biomasse hergestellt werden können.

Historie und Definition der Bioraffinerie

Arbeiten an Bioraffinerie-Konzepten, d.h. zunächst die Fraktionierung von Biomasse in Anlehnung an die Physiologie und biologisch-chemische Vielfalt der Inhaltsstoffe und entsprechende Nutzung und Verarbeitung der so erhaltenen Fraktionen, gab es schon lange, bevor der Name Bioraffinerie/ biorefinery etwa ab der Mitte der 80iger Jahre des 20. Jahrhunderts in der Fachwelt auftauchte.
Zur heutigen Etablierung der Bioraffinerie-Systeme trugen insbesondere pflanzenphysiologische und ökologische Betrachtungen (Carlsson, 1982), ökonomische Überlegungen, wie biotechnologisch-chemische Verwertungskonzepte von Melasse, einem Bulk-Nebenprodukt der Zuckerraffination zur Erzeugung von Aminosäuren sowie die Getreide-Nassmahlverfahren mit angeschlossenen biotechnologischen und chemischen Produktlinien zur Erzeugung von Stärkederivaten, Cyclodextrinen, Fructose und Fettsäuren bei.

Allgemein ist Biorefining der Transfer von Effizienz und Logik der fossil-basierten Chemie und stoffwandelnden Industrie sowie der Energieproduktion auf die Biomasse-Industrie.
Das National Renewable Energy Laboratory (NREL) publizierte folgende Definition für den Term Bioraffinerie: ‚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'.

Bioraffinerie-Systeme

Im ersten Schritt einer Bioraffinerie werden Biomassen einer physikalischen Stofftrennung unterworfen. Die Hauptprodukte (H1-Hn) und Nebenprodukte (N1-Nn) werden in Folge mikrobiologischen und chemischen stoffwandelnden Reaktionen ausgesetzt. Die Folgeprodukte (F1-Fn) der Haupt- und Nebenprodukte können dann weiterkonvertiert oder in einer konventionellen Raffinerie Eingang finden. Aktuell werden vier Bioraffinerie-Systeme in Forschung und Entwicklung forciert.

  1. die "lignocellulosehaltige Feedstock Bioraffinerie" , welche "natur-trockene" Rohstoffe, wie cellulosehaltige Biomasse und Abfälle nutzt

    Abbildung 2: Lignocellulose-Feedstock Bioraffinerie

  2. die "Ganzpflanzen-Bioraffinerie", welche Rohstoffe, wie Getreide oder Mais nutzt

    Abbildung 3: Getreideganzpflanzen Bioraffinerie

  3. die "Grüne Bioraffinerie" welche ‚natur-nasse Rohstoffe, wie grünes Gras, Luzerne, Klee oder unreifes Getreide nutzt

    Abbildung 4: Grüne Bioraffinerie

  4. das Zwei-Plattform-Konzept, welches die ‚Zucker-Plattform' und die SynGas-Plattform einschließt.

    Abbildung 5: Zwei-Plattform Konzept

Ein Hauptaugenmerk liegt zukünftig auf dem industriellen Einsatz von Lignocellulose-Rohstoffen, wie Stroh, Holz, Schilf oder spätgemähten Gräsern. Insbesondere wegen ihrer globalen Verfügbarkeit, des günstigen Preises dieser Rohstoffe, und weil sie keine Nahrungsmittel sind, sind sie für die chemische Industrie und die Kraftstoffindustrie interessant. Man rechnet damit, dass in den nächsten Jahren weltweit die ersten Demonstrationsanlagen zur Herstellung von Ethanol aus Lignocellulose-Rohstoffen gebaut werden, das als Kraftstoffadditiv für Otto-Kraftstoffe oder als Ausgangschemikalie für die Herstellung von Polymeren, Kautschuk oder ‚Grünen Lösungsmitteln' fungiert.

Wie gewinnt der Chemiker definierte Moleküle aus Biomasse?

Biomasse enthält im Gegensatz zum Erdöl von der Natur synthetisierte Strukturen, die überwiegend makromolekular bzw. höher funktionalisiert sind (Kohlenhydrate, Lignin, Proteine, Fette). Diese können im Bioraffinerie-Regime mittels mikrobiologischen und chemischen Methoden zu definierten Chemikalien abgebaut werden. Die Chemikalien sind Basis für eine Vielzahl von Produkten im Baukastensystem der Chemie. Deshalb sprechen wir hier von Plattformchemikalien.

Das US Department of Energy legte eine Liste von 12 potentiellen biobasierten Plattformchemikalien vor, die durch Screening aus 300 Kandidaten ausgewählt wurden. Die Kriterien zur Auswahl waren die Biomasse-Präkursoren (Kohlenhydrate, Lignin, Fette, Proteine), die Prozess-Plattfomen, die Synthesebausteine, die Folgechemikalien und deren finale Anwenderprodukte.
Die ausgewählten Plattformchemikalien können über biologische oder chemische Konversionen produziert werden. Die Synthesebausteine können anschließend in eine Vielzahl von hochwertigen biobasierten Chemikalien und Materialien umgewandelt werden. Plattformchemikalien, die in dieser Analyse betrachtet wurden, sind Moleküle mit mehreren funktionellen Gruppen, die im Stammbaumsystem in neue nützliche Moleküle transformiert werden können. Die zwölf Zucker-basierten Plattformchemikalien sind 1,4 Dicarbonsäuren (z.B. Bernsteinsäure, Fumarsäure, Äpfelsäure), Furan-2,5-dicarbonsäure, 3-Hydroxypropionsäure, Asparaginsäure, Glutarsäure, Glutaminsäure, Itaconsäure, Lävulinsäure, 3-Hydroxybutyrolacton, Glycerin, Sorbitol und Xylitol/Arabinitol.

Abbildung 6: Biomasse-Präkursoren, Plattformchemikalien und Anwendungen

Ein industrieller Leuchtturm der jungen "Biobasierten Industrie" ist das amerikanische Unternehmen Cargill Dow LLC (heute Nature Works). Seit dem Jahre 2002 stellt das Unternehmen aus Mais-Korn Biokunststoffe her, die sich zu Plastikverpackungen wie Folien oder Bechern und sogar T-Shirts verarbeiten lassen - alles biologisch abbaubar. Rund 140.000 Tonnen Bio-Kunststoff kann die Bioraffinerie in Blair, Nebraska, jährlich herstellen. Dazu wird die Maisstärke enzymatisch zu Glukosesirup abgebaut, fermentativ in Milchsäure konvertiert und anschließend chemisch zu einem Polymer (Kunststoff) - zu Polylactid Acid (PLA) umgesetzt, der thermoplastisch zu Folien, Formkörpern und Fasern verarbeitbar ist. Atmungsaktive Kleidung aus PLA geht vor allem in Südostasien über die Ladentheke. In Europa sind bioabbaubare Nahrungsmittel-Verpackungen auf dem Markt.

Abbildung 7: PLA-Anlage Nature Works LLC, Blair Nebraska

Jüngst hat das amerikanische Unternehmen Dow Chemical, der weltgrößte Produzent von Polyethylen, und das Unternehmen Crystalsev, einer der größten brasilianischen Ethanolproduzenten, den Bau einer neuen Anlage von Polyethylen, basierend auf Zuckerrohr, bekannt gegeben. Aus Zucker wird durch Fermentation Ethanol hergestellt, dieser wird durch Dehydratisierung zu Ethylen umgesetzt und dieses anschließend polymerisiert. Die Anlage startet 2011 und hat eine Jahres-Kapazität von 350.000 Tonnen. Dies entspricht der Größe moderner petrochemisch basierter Polyethylenanlagen. Polyethylen wird als vielseitiger Massenkunststoff in den drei Schlüsselbereichen Infrastruktur, das heißt Rohrsysteme, Kabel und Leitungen, Automobil und anspruchsvolle Verpackungen vermarktet.

Ausblick

Es gibt verschiedene Erfordernisse für den Eintritt in die industriellen Bioraffinerie- Technologien und die Produktion von Plattformchemikalien und Materialien. Einerseits ist die Produktion von Substanzen auf der Basis biogener Rohstoffe in den bestehenden Produktionsanlagen der Cellulose-, Stärke-, Zucker- und Öl-Produktion zu erweitern, andererseits ist die Einführung und Etablierung von Bioraffinerie-Demonstrationsanlagen erforderlich. Die Stoffwandlungsprozesse müssen im Bioraffinerie-Regime entwickelt werden, d.h. definierte Produktlinien und Produktstammbäume (Plattformchemikalien==> Zwischenprodukte ==> Folgeprodukte). Eine Aufgabe der organisch-technischen Chemie ist es, sich im Konzept der ‚Biobasierten Produkte und Bioraffinerie-Systeme' zu positionieren, u.a. mit dem Focus der Verknüpfung von biochemischen mit chemischen Synthesen und Technologien insbesondere unter Einbeziehung der Bereiche Reaktionstechnik, Prozessintensivierung und heterogene Katalyse.
Neben der Förderung der dafür notwendigen Forschung und Entwicklung ist eine Etablierung des Fachgebietes ‚Chemie Nachwachsender Rohstoffe/ Bioraffinerie-Systeme' in der Ausbildung und universitären Lehre erforderlich.


  •    » Kontakt
    • Prof. Dr. Birgit Kamm
      Honorarprofessorin Bio-Raffinerietechnik
      FI Biopos e.V. und BTU Cottbus
      Forschungsstandort Teltow-Seehof
      Kantstraße 55
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      Tel.: +49 (0)3328 33221-0
      Fax: + 49 (0)3328 33221-1
      E-Mail: Kamm@biopos.de
  •    » Literatur
    • · B. Kamm, P.R. Gruber, M. Kamm; Biorefineries - Industrial Processes and Products, ULLMANN's ENCYCLOPEDIA OF INDUSTRIAL CHEMISTRY, Electronic Release, 7th ed., WILEY-VCH, Weinheim, 2007

      · National Renewable Energy Laboratory (NREL); http://www.nrel.gov/biomass/biorefinery.html

      · European Technology Platform for Sustainable Chemistry, Industrial Biotechnology Section, 2005, www.suschem.org

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