DBU Fachgespräch Stoffliche Nutzung von Abfallstoffen aus der Landwirtschaft. Verfahrenstechnische Herausforderungen

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1 DBU Fachgespräch Stoffliche Nutzung von Abfallstoffen aus der Landwirtschaft Verfahrenstechnische Herausforderungen Thomas Hirth Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik, Universität Stuttgart Fraunhofer-Institut für Grenzflächen und Bioverfahrenstechnik, Stuttgart snabrück, Seite 1

2 Probleme bei der stofflichen Nutzung biogener Rohstoffe? Hohe Funktionalität, Wasser- und Feststoffgehalt der biogenen Rohstoffe. Geeignete Aufschlussverfahren fehlen. Prozesse verlaufen oft diskontinuierlich. Reaktionszeiten sind zu lang. Prozesse benötigen oft Prozesschemikalien. Geeignete Katalysatoren fehlen. Geringe Substrat- und Produkttoleranz bei biotechnologischen Prozessen. Umsatz, Ausbeute und Selektivität sind zu gering. Geeignete Aufarbeitungsverfahren fehlen. Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit Wirtschaftlichkeit ist teilweise nicht gegeben. Seite 2

3 Zieldreieck bei der stofflichen Nutzung biogener Rohstoffe Prozess Rohstoff Nutzung biogener Rohstoffe Produkt Seite 3

4 Was ist aus Sicht der Verfahrenstechnik beim Einsatz von biogenen Rohstoffen zu beachten? Ausreichende Verfügbarkeit Konstante Qualität Wettbewerbsfähige Preise Elementare Zusammensetzung Stoffliche Zusammensetzung Molekülstruktur Zielprodukte Seite 4

5 Vielfalt biogener Rohstoffe Beispiele für Reststoffe Reststoffe aus der Landwirtschaft (z.b. Stroh, Rüben- und Kartoffelblätter) Reststoffe aus der Forstwirtschaft (z.b. Rinde) Reststoffe aus der Lebensmittelindustrie (z.b. Öl-Presskuchen, Rübenschnitzel) Seite 5

6 Elementare und stoffliche Zusammensetzung von biogenen Rohstoffen Öle/Fette Cellulose Lignocellulose (Holz) C 76% 40% 50% H 13% 7% 6% 11% 53% 43% Komponente Im Stroh Cellulose Stärke Xylan Arabinan Lignin Protein Asche Gehalt in g/kg TS Seite 6

7 Vorkommen und Einsatz biogener Rohstoffe Seite 7

8 Potenzial der C 2 -Reduktion durch biobasierte Produkte Großes Einsparpotenzial bei höher funktionalisierten Produkten und oleochemischen Produkten Quelle: IFEU, VCI Seite 8

9 Wertschöpfung und Marktvolumen biobasierter Produkte Wertschöpfung der biobasierten Produkte bestimmt Art und Aufwand der Verfahrenstechnik Seite 9

10 Konversionsprozesse für biogene Rohstoffe Rohstoff biotechnologisch chemisch thermisch Temperatur Wassergehalt Rohstoffe und Produkte bestimmen die Art und den Aufwand für die Konversion Seite 10

11 Thermochemische Konversion - Vergasung und Synthese Quelle: Forschungszentrum Karlsruhe Seite 11

12 Aufschluss von biogenen Rohstoffen für die Biokonversion Lignocellulose Aufschluss / Fraktionierung Kohlenhydrate Lignin Glukose/Xylose Seite 12

13 Aufschluss von biogenen Rohstoffen für die Chemokonversion Lignocellulose Aufschluss / Fraktionierung Cellulose Hemicellulose Lignin Glukose Xylose Phenole Seite 13

14 Hydrothermolyse von Kohlenhydraten Zucker Hydrothermolyse reduktive Hydrothermolyse H H- 2 5-HMF 5-Hydroxymethylfurfural H DHD 2,5-Dihydroxydioxan H H H H H Mannit Sorbit Polyalkohole Quelle: Fraunhofer Seite 14

15 Spaltung von Lignin Me H 2 C H 2 C Me H 2 C (C 5 H 10 5 )nh H 2 C H 2 C H 2 C Me Lignin H 2 C C 2 ( 3 ) 0, 5 H 2 C Me Me Me H 2 C Me Me C Me Me H 2 C Abundance Mass selective detector Flam ionization detector Me H 2 C Hydrothermolytische Spaltung Phenolderivate H 1.15e e e+07 1e H 2 C C H H H 2 C Me Me H 2 C Me H Me Me H 2 C Me C Me Me Time [min] Me H H Polymerisation = ISTD Duroplastische Phenolharze Quelle: Fraunhofer Seite

16 Potential der C 2 -Reduktion verschiedener Konversionsverfahren Großes Einsparpotenzial bei Verwendung von Lignocellulose und stofflicher Nutzung von Lignin Quelle: IFEU, VCI Seite 16

17 Vom Rohstoff zum Produkt durch physikalische, chemische und biotechnologische Prozesse Rohstoff Aufbereitung - Zerkleinerung - Extraktion - Aufschluss Biotechnologische Transformation Chemische Transformation Aufarbeitung Synthesebausteine Seite 17

18 Zusammenfassung Stoffliche Zusammensetzung der Rohstoffe und Konversionsverfahren bestimmen das Aufschlussverfahren. Stoffliche Zusammensetzung, Funktionalisierungsgrad und Wassergehalt der Rohstoffe bestimmen das Konversionsverfahren. Die Kopplung von chemischen und biotechnologischen Prozessen ist sinnvoll. Großes C 2 -Einsparpotenzial bei Verwendung von Lignocellulose-haltigen Rohstoffen und stofflicher Nutzung von Lignin. Großes C 2 -Einsparpotenzial bei höher funktionalisierten und oleochemischen Produkten. Die Syntheseleistung der Natur sollte optimal ausgenutzt werden. Rohstofftoleranz der Aufschlussverfahren ist nicht ausreichend. Selektivität, Rohstoff- und Produkttoleranz der Konversionsverfahren sind nicht ausreichend. Integration der Aufarbeitungsverfahren ist nicht ausreichend. Seite 18

19 Ausblick Integrierte Bioproduktion (Bioraffinerie) Integrierte Bio-Produktion thermo-chemisch Rohstoffe chemisch biotechnologisch Kombinationen Produkte Seite 19

20 Bioraffinerie Integration in einen Chemie-Verbundstandort Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Thomas Hirth Quelle: InfraLeuna Seite 20