Bioraffinerie

Eine Bioraffinerie ist eine Einrichtung, die Biomasse-Umwandlungsprozesse und -ausrüstung integriert, um Kraftstoffe, Energie, Wärme und Mehrwertchemikalien aus Biomasse herzustellen. Das Bioraffinerie-Konzept ist analog zur heutigen Erdölraffinerie, die mehrere Kraftstoffe und Produkte aus Erdöl produziert.

Das Bioraffinerie-Prinzip ist ähnlich dem einer Ölraffinerie, bei der die komplexe Verbindung Rohöl in einzelne Fraktionen oder Komponenten getrennt wird. Einige davon werden durch chemische Prozesse in andere, besser absetzbare Verbindungen umgewandelt.

Bioraffinerien sollen unter anderem Erdöl als wichtigen Rohstoff in der chemischen Industrie ergänzen und ersetzen. Darüber hinaus könnte die Vielfalt verschiedener chemischer Verbindungen in der Biomasse auch neue Anwendungen schaffen. Weitere wichtige Faktoren sind die Klima- und Umweltschutzbemühungen.

Das Konzept der Bioraffinerie mit einer ganzheitlichen und qualitativ hochwertigen Nutzung von Biomasse befindet sich derzeit noch in der Entwicklung. In Ansätzen ist dieses Konzept bereits implementiert, z. Wie bei der Herstellung von Zucker, Bioethanol und Biodiesel, wo versucht wird, die Neben- oder Nebenprodukte von hoher Qualität zu verwenden. Auch Biogasanlagen werden manchmal Bioraffinerie genannt.

Die Internationale Energieagentur Bioenergy Task 42 zu Bioraffinerien hat die Bioraffinerie als nachhaltige Verarbeitung von Biomasse zu einem Spektrum biobasierter Produkte (Lebensmittel, Futtermittel, Chemikalien, Materialien) und Bioenergie (Biokraftstoffe, Strom und / oder Wärme) definiert.

Durch die Herstellung mehrerer Produkte nutzt eine Bioraffinerie die verschiedenen Bestandteile der Biomasse und ihrer Zwischenprodukte und maximiert so den Wert, der aus dem Biomasse-Ausgangsmaterial gewonnen wird. Einige Forscher haben die Erforschung einer Bioraffinerie als eine praktikable Methode zur Verbesserung der wirtschaftlichen Leistung von Biomasse als Bioenergie betrachtet, da Biochemikalien produziert werden. Eine Bioraffinerie könnte zum Beispiel einen oder mehrere niedrigvolumige, aber hochwertige chemische oder nutrazeutische Produkte und ein niedrigerer, aber großvolumiger flüssiger Transporttreibstoff wie Biodiesel oder Bioethanol. Gleichzeitig wird durch die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK-Technologie) Strom und Prozesswärme für den Eigenverbrauch erzeugt und vielleicht genug für den Verkauf von Strom an den örtlichen Versorger. Die hochwertigen Produkte erhöhen die Rentabilität, der großvolumige Kraftstoff hilft, den Energiebedarf zu decken, und die Stromerzeugung hilft, die Energiekosten zu senken und die Treibhausgasemissionen herkömmlicher Kraftwerksanlagen zu reduzieren. Obwohl einige Einrichtungen existieren, die als Bio-Raffinerien bezeichnet werden können, muss die Bioraffinerie noch vollständig realisiert werden. Zukünftige Bioraffinerien könnten eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Chemikalien und Materialien spielen, die traditionell aus Erdöl hergestellt werden.

Rohstoff Biomasse
Das Konzept einer Bioraffinerie hängt im Wesentlichen vom verfügbaren Rohstoff ab. Vor allem werden Konzepte wie Holz, Stärkepflanzen und andere frische oder silierte Pflanzen als Rohstoffbasis diskutiert.

Biomasse ist sehr komplex und besteht aus vielen verschiedenen organischen Verbindungen in sehr unterschiedlichen Anteilen. Ein großer Teil der Verbindungen sind Verbindungen, die zu den Fetten, Kohlenhydraten oder Proteinen (Proteinen) gehören. Daneben gibt es zahlreiche andere Verbindungen, die jedoch üblicherweise in geringeren Anteilen vorkommen, wie z. B. die Sekundärmetaboliten (oder sekundäre Pflanzenstoffe).

Je nach Biomasse variieren diese Anteile. Holz hat zum Beispiel eine deutlich andere Zusammensetzung als Stärkepflanzen (z. B. Weizen, Mais), Ölpflanzen (Raps, Gras, Soja) oder Pflanzenabfälle.

Anlagenkonzepte
In einer Bioraffinerie wird versucht, bestimmte hochwertige Verbindungen aus der Biomasse zu isolieren. Dabei wird der Synthesevorteil der Natur genutzt, um teure, künstliche Herstellungsprozesse zu ersetzen oder komplexe, nicht künstlich hergestellte Verbindungen zu gewinnen.

Sie können für pharmazeutische Zwecke und als Grundchemikalien. Da sie in der Regel nur einen geringen Anteil ausmachen, bleibt ein großer Teil der Biomasse zurück. Dies kann wiederum z. B. Nahrung, Futter oder weniger hochwertige Chemikalien erhalten werden. Sobald diese wiederverwertbaren Fraktionen aus der Biomasse extrahiert wurden, kann die verbleibende Fraktion noch für energetische Zwecke verwendet werden. Es kann als Strom und Wärme für den Anlagenbetrieb oder zum Verkauf, oder Biokraftstoffe oder synthetische Kraftstoffe (BtL, Methanol, Biomethan, etc.) erzeugt werden.

Neben der Extraktion von in der Biomasse vorhandenen Verbindungen ist die Herstellung neuer Verbindungen aus dem Rohstoff ein weiteres Tätigkeitsfeld innerhalb einer Bioraffinerie. Hier können chemische Prozesse, wie die bereits erwähnte Herstellung von synthetischen Kraftstoffen, eingesetzt werden, insbesondere aber auch biotechnologische Ansätze zur Herstellung höherwertiger Verbindungen.

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

Typologie
Einige Arten von Bioraffinerien werden manchmal unterschieden:

abhängig vom Rohmaterial oder seiner Herkunft (z. B. Meeres-, Gemüse-, Tier-, Pilz- oder Forstwirtschaft, Landwirtschaft, organische Abfälle usw.),
abhängig von den verwendeten Verfahren: Bioraffinerien grün (verstärkende Verbindungen typischerweise instabile hohe Luftfeuchtigkeit), Getreide, Ölsaaten, Mikroalgen oder Makroalgen, lignocellulosische Materialien oder ganze Pflanzen.
entsprechend den Endprodukten, die aus der Umwandlung resultieren, insbesondere dadurch, dass alle Bioraffinerien, die eine Art von Produkt erzeugen (z. B. Synthesegas), unter die gleiche Kategorie gebracht werden.

Lignocellulose-Bioraffinerie
Eine lignocellulosehaltige Bioraffinerie verwendet den Rohstoff Holz, der zu einem großen Teil aus Lignocellulose – einer Struktur aus Lignin und Cellulose – und Hemicellulose besteht. Auch ähnliche Verbundbiomasse, wie Stroh und Gras, und Abfälle aus der Papierindustrie, wie z. Als in großen Mengen anfallende ligninreiche Schwarzlauge kann verwendet werden.

Lignin besteht hauptsächlich aus Derivaten der aromatischen Verbindung Phenol, die für die chemische Industrie nützlich sein könnten. Cellulose ist ein Polysaccharid (mehrwertiger Zucker) aus dem Monomer Glucose (eine Hexose). Dies kann zu verschiedenen Grundchemikalien, z. B. Ethanol und Ethen als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Polyethylen (PE) und Polyvinylchlorid (PVC) oder von Hydroxymethylfurfural als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Nylon, weiterverarbeitet. Darüber hinaus ist Glucose ein Substrat für biotechnologische Produktionsprozesse durch Fermentation. Hemicellulose ist auch ein Polysaccharid, aber aus verschiedenen Pentosen als Monomer. Dies kann auch ein bestimmtes Furfural – Derivat sein, verarbeitet werden oder Nylon und andere Produkte.

Bioraffinerie für ganze Pflanzen
Eine ganze Pflanze Bioraffinerie verwendet die volle Ernte, wie B. Mais, Weizen, Roggen, Triticale, etc. Die Pflanzen bestehen im Wesentlichen aus dem Getreide 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 oder durch Pyrolyse in Synthesegas (Syngas) umgewandelt werden. Dies bildet die Grundlage für synthetische Brennstoffe wie Biomass-to-Liquid (BtL) oder Methanol. Das Korn besteht hauptsächlich aus der Glukosepolymerstärke, die auf vielfältige Weise weiterverarbeitet werden kann. Sie können z. B. kann direkt als Rohstoff der Lebensmittel- oder chemischen Industrie verwendet werden. Die Herstellung von Biokunststoffen, wie z. B. thermoplastische Stärke und Verwendung als Gärsubstrat möglich.

Grüne Bioraffinerie
Die Grüne Bioraffinerie verwendet Pflanzenmaterial wie Gras, Klee, Luzerne oder unreifes (grünes) Getreide aus der Landwirtschaft. Ein wesentlicher Unterschied zu den beiden anderen Konzepten besteht darin, dass die frische Pflanze verwendet wird, die Inhaltsstoffe sich von Holz oder abgereizten Pflanzen deutlich unterscheiden. Der erste Behandlungsschritt ist das Auspressen des Pflanzensaftes. Der Presskuchen enthält hauptsächlich Fasern (Cellulose) sowie Stärke, Farbstoffe und Pigmente. Im Presssaft sind Proteine, Aminosäuren, organische Säuren usw. enthalten. Dies könnte z. B. Produkte wie Milchsäure, Aminosäuren, Ethanol usw. können isoliert werden. Der Presskuchen kann als Feed, zur Herstellung von Synthesegas und Biogas oder zur Extraktion von chemischen Verbindungen verwendet werden.

Verfahren und Produkte
In der Bioraffinerie ist eine Vielzahl von Verfahren notwendig, um das Rohmaterial vorzubereiten, bestimmte Fraktionen zu isolieren und weitere Verbindungen mit chemischen, chemisch-physikalischen und biotechnologischen Prozessen zu gewinnen:

Vorbereitung z. Durch:
Drücken Sie
Zerkleinern durch Schleifen, Zerkleinern usw.

Trennung und Isolierung durch (siehe auch Trennverfahren (Verfahrenstechnik):
Sieben und Filtrieren
Extraktion
Chromatographie
Usw.

Mit diesen Methoden können bereits in der Biomasse vorhandene Substanzen und Verbindungen erhalten werden. Durch chemische Veränderung kann die Produktpalette noch erheblich erweitert werden:

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

Chemische Modifikation mit biotechnologischen Verfahren (siehe auch Biotechnologie und Weiße Biotechnologie):
Verwendung des Rohmaterials oder von Fraktionen für Fermentationen, z. B. zur Herstellung von Grund- und Feinchemikalien, Ethanol, Biogas, Rohstoffen für die Herstellung von Biokunststoffen, Vitaminen, Aminosäuren usw.
Biokatalyse mit isolierten Enzymen zur Modifizierung bestimmter Verbindungen, z. B. mit Amylasen zur hydrolytischen Spaltung von Stärke zu Glucose

Beispiele
Das voll funktionsfähige Unternehmen Blue Marble Energy verfügt über mehrere Bioraffinerien in Odessa, WA und Missoula, MT.

Kanadas erste integrierte Bioraffinerie, die von Himark BioGas auf anaerober Vergärungstechnologie entwickelt wurde, befindet sich in Hairy Hill, Alberta. Die Bioraffinerie verwendet Source Separated Organics aus der Metro-Region Edmonton, Open Pen Feedlot-Dünger und Lebensmittelverarbeitungsabfälle.

Mehrere potenzielle Bioraffinerie-Beispiele wurden vorgeschlagen, angefangen von Rohstoffen wie Tabak, Flachsstroh und den Rückständen aus der Produktion von Bioethanol. Bioraffinerien wurden auch vorgeschlagen, so viel Material wie möglich aus Bäumen (Cellulose, Hemicellulose, Lignin, Lipide) zu sammeln.

Die Technologie von Chemrec für die Vergasung von Schwarzlauge und die Produktion von Biokraftstoffen der zweiten Generation, wie Biomethanol oder BioDME, wird in eine Host-Zellstoffmühle integriert und nutzt ein großes Sulfat- oder Sulfit-Prozessabfallprodukt als Ausgangsmaterial.

In Österreich wurde im Mai 2009 eine grüne Bioraffinerie als Demonstrationsanlage eröffnet. Es gibt Grassilage, die aus Aminosäuren und Milchsäure gewonnen wird. Feste Fraktionen werden energetisch in einer Biogasanlage genutzt. Es kann 4 Tonnen Grassilage pro Stunde oder 100 Liter Presssaft pro Stunde verarbeiten. Pro Tonne Silagetrockensubstanz können 150 bis 210 kg Milchsäure und 80 bis 120 kg Rohprotein (Aminosäuren) gewonnen werden. Ziel ist es, Erkenntnisse zu gewinnen, die das Design von Industrieanlagen unterstützen.

In einer der Agentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. koordiniertes Projekt werden seit 2007 Prozesskonzepte für lignocellulosehaltige Bioraffinerien entwickelt. In einem Folgeprojekt wird in Leuna (Sachsen-Anhalt) eine erste Pilotanlage errichtet, in der pro Tag 1,25 t Holz verarbeitet werden. Langfristig werden Anlagen mit Verarbeitungskapazitäten von 400.000 t / a als möglich angesehen.

Die Biowert-Anlage arbeitet nach einem ähnlichen Prinzip wie die Grüne Bioraffinerie. Das Rohmaterial ist Gras oder Grassilage. Dieser wird gepresst und die flüssige Fraktion in einer Biogasanlage, die auch Prozessenergie oder Prozesswärme liefert, vergoren. Der Presskuchen enthält einen hohen Faseranteil, aus dem Dämmstoffe oder Faserzusätze für Kunststoff (naturfaserverstärkter Kunststoff) hergestellt werden.

Gesundheitliche bedeutung
In allen der raffinierten Pflanzenöle sind 3-MCPD-Fettsäureester zu finden, wobei sich die Gehalte zum Teil stark unterscheiden. 3-MCPD wurde 2011 von der Internationalen Agentur für Krebsforschung (IARC) als “krebskranker Mensch” eingestuft.

Perspektive
Laut einer Marktstudie von Festel aus dem Jahr 2001 betrug der Anteil der biotechnologisch hergestellten Chemikalien mit 30 Milliarden US $ etwa 2,5% des Gesamtmarktes. Bis 2010 wurde ein Anstieg von rund 20% prognostiziert (310 Milliarden US $ bei einem Gesamtumsatz von 1600 Milliarden US $). Im Jahr 2007 betrug der Anteil 48 Milliarden US-Dollar, was 3,5% entspricht. Im Jahr 2010 betrug der Anteil der biotechnologisch hergestellten Medikamente 17%.

Die Entwicklung der Bioraffinerie wurde in den USA in den letzten Jahren intensiv vorangetrieben. Rund 360 Millionen US-Dollar wurden jedes Jahr in die Produktion von Biomasse investiert (2003: ca. 420 Millionen US-Dollar, 2005: ca. 310 Millionen US-Dollar). Dort erwarten Experten, dass bis 2020 ein Viertel der heutigen fossilen organischen Materialien und 10% der Öle und Kraftstoffe mit Bioraffinerietechnologien hergestellt werden.

In der EU wurden von Mitte 2002 bis 2006 insgesamt 74 Mio. EUR in die Forschung zur Nutzung von Biomasse im Rahmen des Sechsten Forschungsrahmenprogramms investiert. Im 7. Forschungsrahmenprogramm (2007-2013) ist das jährliche Gesamtbudget veranschlagt wurde um 40% erhöht, so dass auch mit einem Anstieg der Forschung zur Nutzung von Biomasse zu rechnen ist.