VON BIOGENEN ROHSTOFFEN ZU BIOBASIERTEN PRODUKTEN ROHSTOFFE, PROZESSE UND PRODUKTE

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1 VON BIOGENEN ROHSTOFFEN ZU BIOBASIERTEN PRODUKTEN ROHSTOFFE, PROZESSE UND PRODUKTE Wissenschaftliche Tagung des Dachverbands Agrarforschung DAF, Bioökonomie Welche Bedeutung haben die Agrar- und Forstwissenschaften?, Berlin, Thomas Hirth, IGVP der Universität Stuttgart und Fraunhofer IGB

2 GLIEDERUNG Herausforderung Klima-, Rohstoff- und Energiewandel und der Beitrag der Bioökonomie Bioökonomie und Wertschöpfungsketten Rohstoffe, Prozesse und Produkte Zusammenfassung und Ausblick

4 Herausforderungen im 21. Jahrhundert Bevölkerungswachstum, Klima-, Energie- und Rohstoffwandel Quelle: FAO, IEA, U.S. Geological Survey, Global Carbon Project Weltbevölkerung Mrd. Menschen 2030 > 8 Mrd. Menschen Nahrungsmittelbedarf > 40 % Energiebedarf > 50 % Rohstoffbedarf > 100 %

5 Herausforderungen im 21. Jahrhundert Bevölkerungswachstum, Klima-, Energie- und Rohstoffwandel Nachhaltige Rohstoffe, Produkte und Prozesse Quelle: FAO, IEA, U.S. Geological Survey, Global Carbon Project Weltbevölkerung Mrd. Menschen 2030 > 8 Mrd. Menschen Nahrungsmittelbedarf > 40 % Energiebedarf > 50 % Rohstoffbedarf > 100 %

6 Schlüsselinnovationen initiieren neue industrielle und gesellschaftliche Entwicklungsphasen Bioökonomie

7 Bioökonomie und Wertschöpfungsketten Rohstoffversorgung Nahrungsmittelsicherheit Biodiversität Ernährungssicherung Marco Barnebeck / PIXELIO Jens Bredehorn / PIXELIO Rosel Eckstein / PIXELIO Eugen Lehle Antje Schröter / PIXELIO Rest-/Abfallstoffe Rest-/Abfallstoffe Energieversorgung Gesundheit Quelle: Europäische Kommission, Bioökonomierat

9 Stoffliche Nutzung biogener Rohstoffe Rohstoffe, Prozesse und Produkte Prozess Bioökonomie Rohstoff Produkt

11 Rohstoffverbrauch in der chemischen Industrie Quelle: FNR, VCI (2014)

12 Biogene Rohstoffe in der chemischen Industrie Quelle: FNR, VCI (2014)

13 Hauptbestandteile von biogenen Rohstoffen > 90% sind Biopolymere und > 60% sind Cellulose und Lignin

14 Was ist beim Einsatz biogener Rohstoffe zu beachten? Ausreichende Verfügbarkeit Konstante Qualität Wettbewerbsfähige Preise Elementare Zusammensetzung Stoffliche Zusammensetzung Molekülstruktur

16 Industrielle Nutzung biogener Rohstoffe... wenn sie Vorteile gegenüber fossil basierten Rohstoffen bieten Cellulose Fasern, Celluloseether, Celluloseester Naturkautschuk Reifen Pflanzliche Öle Tenside

17 Markt- und Anwendungspotenziale für biobasierte Produkte (EU) Chemische Zwischenprodukte und Polymere Spezialchemikalien (Lösungsmittel, Tenside, Klebstoffe, ) Fasern Schmierstoffe Quelle: EU, FNR, BMEL, Nova-Institut

18 Wertschöpfung fossil und bio-basierter Produkte

20 Rohstoffe für die Chemie und ihre Prozessketten Quelle: J. Rothermel, VCI

21 Vergasung und chemische Produkte auf der Basis von Synthesegas Erdöl Erdgas Schiefergas Kohle Biomasse Vergasung Steam reforming Wasserstoff Ammoniak Methanol Kohlenwasserstoffe Phosgen Kohlenstoffmonoxid Quelle: Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry, The Linde Group

22 Steam cracking und chemische Produkte auf der Basis von Kohlenwasserstoffen Ethylen PE, PVC, EO Naphtha Propylen PP, PAN, PO, AA Schiefergas Steam cracking C4-KW Benzol PB, MTBE, MAAH Phenol, PS, PA Bio-KW Toluol Benzol, Isocyanate Xylole PET, Phthalate Quelle: Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry, BASF SE

23 Rohstoff-, Synthese- und Katalysatorwandel Mikroorgansimen Enzyme HC CH O CO NiBr 2, CuI 2 Molybdate, Tellur Verb. O 2 OH OH - H 2 O Zeolithe, Enzyme O Quelle: Fraunhofer IGB OH

24 Verfahrenskette einer Bioraffinerie Eine Bioraffinerie ist ein Betrieb, der biogene Rohstoffe fraktioniert, raffiniert und veredelt. Quelle: Roadmap Bioraffinerien, BMEL

25 Bioraffinerie-Konzepte Gruppe 1 2 Bioraffinerie-Konzept Zucker-Bioraffinerie Stärke-Bioraffinerie Pflanzenöl-Bioraffinerie Algenlipid-Bioraffinerie 3 Synthesegas-Bioraffinerie 4 Biogas-Bioraffinerie 5 Lignocellulose-(Cellulose/Hemicellulose/Lignin) Bioraffinerie Grüne Bioraffinerie Quelle: Roadmap Bioraffinerien, BMEL

26 Bioraffinerien Integration in Wertschöpfungsketten Eine Bioraffinerie ist ein Betrieb, der biogene Rohstoffe fraktioniert, raffiniert und veredelt. Fraktion 1 Biogener Rohstoff Nahrungs- und Futtermittel, Chemikalien und Energie Fraktion 2 Erweiterung vorhandener Anlagen zur Verarbeitung biogener Rohstoffe (Zucker-, Stärke-, und Zellstoffwerke, Ölmühlen) Bottom-up-Ansatz (12) Neukonzeption von hoch integrierten Anlagen Top-down-Ansatz (4)

27 Bottom-up-Bioraffinerien in D aktueller Stand Quelle: FNR

28 Top-down-Bioraffinerien in D aktueller Stand Quelle: FNR

30 Verfahren zur Primärraffination am Beispiel von Lignocellulose strukturerhaltend strukturabbauend Organosolv-Prozess (Fraunhofer CBP) Pyrolyse und Vergasung (KIT)

32 Pyrolyse und Vergasung von biogenen Rohstoffen bioliq-verfahren am KIT Quelle: KIT

34 Von der Laboranlage zur Produktionsanlage Fraunhofer CBP Labor Labor II Technikum Scale-up und Prozessentwicklung Standort Leuna

35 Aufschluss und Konversion von Lignocellulose Lignocellulose Extraktion /Aufschluss/ Fraktionierung Cellulose Hemicellulosen Lignin Glukose Xylose Lignin/Phenole Milchsäure/PLA Xylit/Furanharze Polymere Quelle: NatureWorks, Tecnaro, Dynea, Fraunhofer

36 Spitzencluster BioEconomy Reststoffe Energie TG 1 Holz: Erzeugung u. werkstoffliche Nutzung von Non- Food-Biomasse (Holzerzeugung, -logistik und -verarbeitung; innovativer Holzbau) TG 2 Chemie: Erzeugung von Chemiegrundstoffen aus Biomasse Energetische Prozessoptimierung Holz, Reststoffe Ethylen, Wasserstoff, Aromaten etc. TG 3 Werkstoffe: Polymere, Materialien und Bauteile aus Biomasse Reststoffe Holzfasern z.b. Biophenolschäume Energie TG 4 Energie: Energetische Nutzung und Optimierung im Gesamtzusammenhang der Kaskadennutzung Parameter, Methodik, Optimierung TG 5: Management der Bioökonomie TG 6: Ausbildung für die Bioökonomie

37 Pilotanlage Organosolv-Verfahren am Standort Leuna

38 Biobasierte Produkte auf Basis von Kohlenhydraten Neue Produkte und etablierte Produkte Glukose C 6 H 12 O 6 Ethanol C 2 H 6 O Milchsäure C 3 H 6 O 3 Bernsteinsäure C 4 H 6 O 4 5-HMF C 6 H 6 O 3 Sorbit C 6 H 14 O 6 Ethylen Milchsäure Acrylsäure Bernsteinsäure Butandiol Furandicarbonsäure Sorbit Polyethylen Polymilchsäure Polyacrylsäure Polyester Polyamide Polyhydroxyfuranoate Polyurethane

39 Milchsäure und Milchsäure-Folgeprodukte (C3-Bausteine) Großvolumige Produktion > t (2013) Fermentationsprozesse mit mehr als 90% Ausbeute an Ca-Lactat und ph-wert-steuerung mit Ammoniak Fermentation von Xylose mit Pichia stipitis Produkte: PLA, Acrylsäure, Milch- und Acrylsäureester Quelle: B.C. Saha Commodity Chemicals Production by Fermentation, NatureWorks

40 Isobuten und Isobuten-Folgeprodukte (C4-Bausteine) Fermentation Aufreinigung Glucose Saccharose ISOBUTEN Direkte fermentative Herstellung über einen neuartigen Stoffwechselweg Optimierung des integrierten Gesamtprozesses und Skalierung Produkte: Butylkautschuk, Acrylate, Kraftstoffe Quelle: Global Bioenergies, Fraunhofer IGB

41 Ein Stoffverbund wird um biogene Rohstoffe erweitert Schlüsselimpulse für den Chemiestandort Leuna Oktober 2012 Eröffnung des Fraunhofer-Zentrums für ChemischBiotechnologische Prozesse CBP Juli 2013 Eröffnung der europaweit ersten Mehrzweckfermentationsanlage der ThyssenKrupp Industrial Solutions AG Oktober 2013 Startschuss für das Spitzenclusterprojekt zum Aufbau einer Isobuten-Pilotanlage für die Firma Global Bioenergies

43 Forschungsverbund Integrierte BioProduktion Heimische Öle, Reststoffe Bewertung Aufschluss und Rohstofffraktionierung Entwicklung optimierter Chemo- und Biokatalysatoren Produktentwicklung Verfahrensoptimierung Prozessskalierung Innovative Verfahren Bewertung der Marktrelevanz Prozessentwicklung, Integration und Scale-up Prozess- und Produktbewertung Herstellung von Produkten im Pilotmaßstab

44 Vom Pflanzenöl zum Produkt ROHSTOFF SYNTHESE- BAUSTEIN PRODUKTE Synthesegase (H 2, CO, CO 2 ) kurzkettige Amine Glyzerin langkettige Diamine langkettige Dicarbonsäure Flockungshilfsmittel heimische Pflanzenöle Fettsäure Fettsäure-Epoxid grenzflächenaktive Sustanzen Fettalkohole Fettsäure- methylester- Epoxid Polymere/ Beschichtungen Fettsäuremethylester langkettige Fettsäuredimethylester Triglyzerid- Epoxide Schmierstoffe

45 GLIEDERUNG Herausforderung Klima-, Rohstoff- und Energiewandel und der Beitrag der Bioökonomie Bioökonomie und effiziente Wertschöpfungsketten Rohstoffe, Prozesse und Produkte Zusammenfassung und Ausblick

46 Zusammenfassung Strategien zur Steigerung des Anteils biogener Rohstoffe Integrierte Aufarbeitung von»non-food«-biomasse in Bioraffinerien, die im Verbund Chemikalien, Biogas, Kraftstoffe und Energieträger liefern. Stärkere Integration von biotechnologischen Verfahren in die chemische Verbundproduktion. Anknüpfung an die bestehenden, hocheffizienten Wertschöpfungsketten der chemischen Industrie Integration der Nutzung von fossilen und biogenen Rohstoffen. Nutzung der bestehenden Infrastruktur mit den Produkt- und Energieverbünden und des langjährig erarbeiteten chemischen Prozess-Knowhows. Quelle: Positionspapier»Rohstoffbasis im Wandel«von GDCh, DECHEMA, DGMK und VCI

47 Ausblick Bio- und petrochemisch integrierte Standorte Quelle: Cluster BioEconomy

48 Der Herausforderung Klima-, Rohstoff- und Energiewandel mit Innovationen der Bioökonomie begegnen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit