Una bioraffineria è una struttura che integra processi di conversione della biomassa e attrezzature per produrre combustibili, energia, calore e sostanze chimiche a valore aggiunto dalla biomassa. Il concetto di bioraffineria è analogo alla raffineria di petrolio di oggi, che produce più combustibili e prodotti derivati ​​dal petrolio.

Il principio della bioraffineria è simile a quello di una raffineria di petrolio, dove il complesso composto di petrolio greggio è separato in singole frazioni o componenti. Alcuni di questi sono convertiti da processi chimici in altri composti meglio posizionabili.

Le bioraffinerie sono intese, tra le altre cose, a integrare e sostituire il petrolio greggio come una materia prima importante nell’industria chimica. Inoltre, la varietà di diversi composti chimici nella biomassa potrebbe anche creare nuove applicazioni. Altri fattori importanti sono gli sforzi per la protezione del clima e dell’ambiente.

Il concetto di bioraffineria con un uso olistico e di alta qualità della biomassa è attualmente ancora in fase di sviluppo. Negli approcci, questo concetto è già implementato, ad es. Come nella produzione di zucchero, bioetanolo e biodiesel, dove sta cercando di utilizzare i sottoprodotti o sottoprodotti di alta qualità. Anche le piante di biogas sono talvolta chiamate bioraffineria.

L’attività Bioenergy dell’Agenzia internazionale dell’energia 42 sulle bioraffinerie ha definito la bioraffinatura come trattamento sostenibile della biomassa in uno spettro di prodotti a base biologica (alimenti, mangimi, sostanze chimiche, materiali) e bioenergia (biocarburanti, energia e / o calore).

Producendo più prodotti, una bioraffineria sfrutta i vari componenti della biomassa e dei loro intermedi, massimizzando così il valore derivato dalla materia prima della biomassa. Alcuni ricercatori hanno considerato l’esplorazione di una bioraffineria come un metodo pratico per migliorare le prestazioni economiche della biomassa autonoma nel sistema di bioenergia dato che vengono prodotti biochimici Una bioraffineria potrebbe, ad esempio, produrre uno o più volumi bassi, ma di alto valore, prodotti chimici o nutraceutici e un combustibile liquido per trasporti a basso valore, ma ad alto volume come il biodiesel o il bioetanolo. Allo stesso tempo genera elettricità e calore di processo, attraverso la tecnologia combinata di calore ed elettricità (CHP), per il proprio uso e forse abbastanza per la vendita di energia elettrica all’utenza locale. I prodotti di alto valore aumentano la redditività, il combustibile ad alto volume aiuta a soddisfare il fabbisogno energetico e la produzione di energia contribuisce a ridurre i costi energetici e a ridurre le emissioni di gas serra generate dalle tradizionali centrali elettriche. Sebbene esistano alcune strutture che possono essere chiamate bioraffinerie, la bio-raffineria deve ancora essere pienamente realizzata. Le future bioraffinerie potrebbero svolgere un ruolo importante nella produzione di sostanze chimiche e materiali tradizionalmente prodotti dal petrolio.

Biomassa delle materie prime
Il concetto di bioraffineria dipende essenzialmente dalla materia prima disponibile. Soprattutto, vengono discussi concetti che includono legno, piante di amido e altre piante fresche o insilate come materia prima.

La biomassa è molto complessa composta da molti composti organici diversi in proporzioni molto diverse. Una grande proporzione dei composti sono composti che appartengono ai grassi, ai carboidrati o alle proteine ​​(proteine). Inoltre, ci sono numerosi altri composti, ma di solito si verificano in proporzioni più basse, come ad esempio. B. i metaboliti secondari (o sostanze vegetali secondarie).

A seconda della biomassa, queste proporzioni variano. Il legno, ad esempio, ha una composizione nettamente diversa rispetto alle piante di amido (ad es. Grano, mais), alle piante oleaginose (colza, erba, soia) o ai rifiuti vegetali.

Plant Concepts
In una bioraffineria si tenta di isolare determinati composti di alta qualità dalla biomassa. In tal modo, il vantaggio di sintesi della natura viene utilizzato per sostituire i costosi processi di fabbricazione artificiale o per ottenere complessi composti sintetizzati non artificialmente.

È possibile per scopi farmaceutici e come prodotti chimici di base. Poiché di solito rappresentano solo una piccola parte, una grande parte della biomassa rimane indietro. Questo può a sua volta z. Man mano che si ottengono alimenti, mangimi o meno sostanze chimiche di alta qualità. Una volta che queste frazioni riciclabili sono state estratte dalla biomassa, la frazione rimanente può ancora essere utilizzata a scopi energetici. Può generare energia e calore per l’esercizio o la vendita di impianti o la produzione di biocarburanti o di combustibili sintetici (BtL, metanolo, biometano, ecc.).

Oltre all’estrazione di composti presenti nella biomassa, la produzione di nuovi composti dalla materia prima è un altro campo di attività all’interno di una bioraffineria. Qui si possono utilizzare processi chimici, come la già citata produzione di combustibili sintetici, ma in particolare anche approcci biotecnologici per la produzione di composti di maggiore valore.

I tre concetti di impianto comuni e discussi prendono il nome dalla rispettiva materia prima:

Tipologia
Diversi tipi di bioraffinerie sono talvolta distinti:

a seconda della materia prima o della sua fonte (ad esempio marina, vegetale, animale, fungina o silvicola, agricola, rifiuti organici, ecc.),
a seconda dei processi utilizzati: bioraffineria verde (aumento dei composti tipicamente instabile alta umidità), cereali, semi oleosi, microalghe o macro alghe, materiali lignocellulosici o intere piante.
in base ai prodotti finali risultanti dalla trasformazione, in particolare riunendo nella stessa categoria tutte le bioraffinerie che producono un tipo di prodotto (ad esempio gas di sintesi).

Bioraffineria lignocellulosica
Una bioraffineria lignocellulosica utilizza la materia prima legno, che consiste in una grande quantità di lignocellulosa – una struttura di lignina e cellulosa – ed emicellulosa. Anche biomassa composita simile, come paglia ed erba, e scarti dell’industria cartaria, come. Come il sostenuto in grandi quantità può essere utilizzato liquore nero ricco di lignina.

La lignina consiste principalmente di derivati ​​del fenolo composto aromatico, che potrebbe essere utile per l’industria chimica. La cellulosa è un polisaccaride (zucchero polivalente) dal glucosio monomerico (un esoso). Questo può portare a vari prodotti chimici di base, come ad esempio. Come etanolo ed etene come materiale di partenza per la produzione di polietilene (PE) e polivinilcloruro (PVC) o di idrossimetilfurfurale come materiale di partenza per la produzione di nylon, ulteriormente trasformato. Inoltre, il glucosio è un substrato per i processi di produzione biotecnologica per fermentazione. L’emicellulosa è anche un polisaccaride, ma da diversi pentosi come monomero. Questo può anche essere un particolare furfurale: i derivati ​​vengono lavorati o il nylon e altri prodotti.

Bioraffineria di piante intere
Un’intera bioraffineria vegetale utilizza il raccolto completo, come B. mais, grano, segale, triticale, ecc. Le piante consistono essenzialmente nel grano e nella paglia di lignocellulosereichen, che sono solitamente già separate al momento del raccolto con una mietitrebbia. La paglia può essere ulteriormente trasformata in una bioraffineria lignocellulosica o trasformata in gas di sintesi (syngas) mediante pirolisi. Questo costituisce la base per i combustibili sintetici come la biomassa al liquido (BtL) o il metanolo. Il grano è costituito principalmente dall’amido di glucosio polimerico, che può essere ulteriormente elaborato in molti modi. Puoi z. B. può essere utilizzato direttamente come materia prima dell’industria alimentare o chimica. La produzione di bioplastiche, come. Come amido termoplastico e uso come substrato di fermentazione sono possibili.

Bioraffineria verde
La bioraffineria verde utilizza materiale vegetale, come erba, trifoglio, erba medica o grano immaturo (verde) dall’agricoltura. Una grande differenza con gli altri due concetti è che viene utilizzata la pianta fresca, gli ingredienti diversi da piante di legno o abgereiften in modo significativo. La prima fase del trattamento è la spremitura del succo della pianta. La torta della pressa contiene principalmente fibre (cellulosa), nonché amido, coloranti e pigmenti. Nel succo della stampa sono proteine, amminoacidi, acidi organici, ecc. Questo potrebbe, per. B. prodotti come acido lattico, amminoacidi, etanolo ecc. Possono essere isolati. La torta di stampa può essere utilizzata come mangime, per la produzione di syngas e di biogas o per l’estrazione di composti chimici.

Procedure e prodotti
Nella bioraffineria sono necessarie varie procedure per preparare la materia prima, isolare determinate frazioni e derivare ulteriori collegamenti con i processi chimici, chimico-fisici e biotecnologici:

Preparazione z. Di:
stampa
Frantumazione mediante macinatura, triturazione ecc.

Separazione e isolamento (vedi anche processo di separazione (ingegneria di processo):
Setacciatura e filtrazione
estrazione
cromatografia
Eccetera.

Con questi metodi, è possibile ottenere sostanze e composti già presenti nella biomassa. Con il cambiamento chimico, la gamma di prodotti può ancora essere notevolmente ampliata:

Elaborazione con processi chimici e chimico-fisici:
Pirolisi per la produzione di gas di sintesi
Uso del gas di sintesi per la sintesi di nuovi composti, ad es. B. BtL e altri idrocarburi mediante sintesi di Fischer-Tropsch
Combustione per generare elettricità e calore

Modifica chimica mediante processi biotecnologici (vedi anche Biotecnologie e biotecnologie bianche):
Uso della materia prima o delle frazioni per fermentazioni, es. B. per la produzione di prodotti chimici di base e fini, etanolo, biogas, materie prime per la produzione di bioplastiche, vitamine, amminoacidi, ecc.
Biocatalisi con enzimi isolati per la modifica di alcuni composti, ad es. B. con amilasi per la scissione idrolitica dell’amido al glucosio

Esempi
La società pienamente operativa Blue Marble Energy ha più bioraffinerie con sede a Odessa, WA e Missoula, MT.

La prima Bioraffineria Integrata del Canada, sviluppata sulla tecnologia di digestione anaerobica di Himark BioGas, si trova a Hairy Hill, Alberta. La Bioraffineria utilizza Source Separated Organics dalla regione di Edmonton, Open Pen Feedlot e Rottami di trasformazione alimentare.

Sono stati proposti diversi potenziali esempi di bioraffineria, a partire da materie prime come il tabacco, la paglia di lino e i residui della produzione di bioetanolo. Le bioraffinerie sono state anche proposte per raccogliere quanto più materiali dagli alberi (cioè cellulosa, emicellulosa, lignina, lipidi) il più possibile.

La tecnologia di Chemrec per la gassificazione dei liquori neri e la produzione di biocarburanti di seconda generazione come il biometanolo o BioDME è integrata con un mulino della polpa dell’ospite e utilizza come materia prima un importante prodotto di scarto di processo solfato o solfito.

In Austria, una bioraffineria verde è stata aperta nel maggio 2009 come struttura dimostrativa. L’insilato di erba veniva ricavato dagli amminoacidi e dall’acido lattico. Le frazioni fisse sono energeticamente utilizzate in un impianto di biogas. Può trattare 4 tonnellate di insilato di erba all’ora o 100 litri di succo pressato all’ora. Si possono ottenere da 150 a 210 kg di acido lattico e da 80 a 120 kg di proteine ​​grezze (amminoacidi) per tonnellata di sostanza secca insilata. L’obiettivo è acquisire conoscenze che supportino la progettazione di impianti industriali.

In una delle risorse rinnovabili dell’agenzia e. V. progetto coordinato sono stati sviluppati dal 2007 i concetti di processo per le bioraffinerie lignocellulosiche. In un progetto di follow-up, un primo impianto pilota verrà installato a Leuna (Sassonia-Anhalt), trasformando 1,25 tonnellate di legno al giorno. A lungo termine, sono considerate possibili impianti con capacità di lavorazione di 400.000 t / a.

L’impianto Biowert funziona con un principio simile alla Bioraffineria Verde. La materia prima è costituita da insilati di erba o erba. Questo viene premuto e la frazione liquida in un impianto di biogas, che fornisce anche energia di processo o calore di processo, fermenta. La torta della pressa contiene un’alta percentuale di fibre da cui vengono prodotti materiali isolanti o additivi fibrosi per plastica (plastica rinforzata con fibre naturali).

Significato sanitario
In tutti gli oli vegetali raffinati sono presenti estere di acido grasso 3-MCPD, in cui i contenuti differiscono ampiamente in parte. Il 3-MCPD è stato classificato come “cancerogeno umano candidato” nel 2011 dall’Agenzia internazionale per la ricerca sul cancro (IARC).

Prospettiva
Secondo uno studio di mercato condotto da Festel nel 2001, la quota di sostanze chimiche prodotte biotecnologicamente con 30 miliardi di US $ era di circa il 2,5% del mercato totale. Entro il 2010, era previsto un aumento di circa il 20% (310 miliardi di US $ con un fatturato totale di 1600 miliardi di US $). Nel 2007, la quota era di US $ 48 miliardi, pari al 3,5%. Nel 2010, la proporzione di farmaci prodotti biotecnologicamente era del 17%.

Negli ultimi anni lo sviluppo della bioraffineria è stato intensamente promosso negli Stati Uniti. Circa $ 360 milioni sono stati investiti ogni anno nella produzione di biomassa (2003: circa $ 420 milioni, 2005: circa $ 310 milioni). Lì, gli esperti prevedono che entro il 2020 un quarto degli attuali materiali organici a base di fossili e il 10% di oli e combustibili saranno prodotti utilizzando tecnologie di bioraffineria.

Nell’UE sono stati investiti 74 milioni di euro nella ricerca sull’uso della biomassa nell’ambito del sesto programma quadro di ricerca da metà 2002 a 2006. Nel settimo programma quadro di ricerca (2007-2013), il bilancio annuale totale ha aumentato del 40%, per cui è previsto anche un aumento della ricerca sull’utilizzazione della biomassa.