Stefan KROMUS ILMT S. NOVALIN, W. KOSCHUH B. WACHTER, M. MANDL, H. BÖCHZELT NTS-CTP

Transkript

1 Stefan KROMUS ILMT S. NOVALIN, W. KOSCHUH NTS-CTP B. WACHTER, M. MANDL, H. BÖCHZELT

2 Was sind BioRaffinerien? Geschichte der BioRaffinerie in Österreich Grünlandbiomasse als Nawaro Warum? Bioraffinerie Systeme Wertstoffe und F & E Fragestellungen Proteine und Aminosäuren Milchsäure Fasern Ausblick BioRaffinerie Definition: Allgemein: basierend auf NAWAROS wird ein Multi-Product System etabliert keine klare Abgrenzung zw. Food u. Non-Food (Mais-Mills; Kartoffelind.; z.t. Zuckerindustrie; Papierindustrie?; Lignozellulose-BioRaffinerie) Vorschlag Ö+D: - Erweiterung auf Ganzpflanzennutzung - Nachhaltige Technologien

3 Beispiele von BioRaffinerien Weltweit klassische Konzepte: - Corn-Mills - Ethanol Refineries Food-basierte BRs: - Zuckerindustrie - Stärkeindustrie - Soja-Verarbeitung Lignozellulose BRs: - Papierindustrie - Zelluloseindustrie - Lignocellulose BioRaffinerien Grüne BioRaffinerie: Grünmasse Wiesengrünmasse + Biomasse Reststoffe Ganzstoffliche Nutzung Multi-Product -System basierend auf nachhaltigen Technologien u. damit geschlossenen Kreisläufen Nachhaltige Landnutzung Erhaltung der Kulturlandschaft + Einkommen für Landwirte ökonomisch selbsttragender Betrieb

4 18. Jht. - Proteinabtrennung aus Gras u. Klee 20. Jht. - Leaf Protein Concentrate (LPC) - angestrebt wird weißes (Rubisco) Lebensmittelprotein - Hunger der Welt sollte bekämpft werden Seit den 70er Jahren (Ölkrise) Grassaftabpressung vor Trocknung - Futtermittelproteine (USA-ProXan, Frankreich, Ungarn- VEPEX) Carlsson (Schweden) prägte den Begriff der "Green BioRefinery" Aktivitäten in Dänemark, Niederlande, Deutschland, Schweiz, Österreich, Island, USA, Frankreich ÖSTERREICH-Geschichte 80 er Hydrolyse von Stroh Ethanol Fermentation (erste Berichte zu Gras als Feedstock) 1994 Steinmüller Bericht Milchsäure aus Silage 1999 Erstes Konzept unter dem Titel Dezentrale Grüne Bioraffinerie Feldbach seit 2000 Versuche mit Wiesengrünmasse Produktentwicklung

5 Inhaltsstoffe Phytochemicalien: Zucker Proteine(Enzyme) Fasern Carotinoide Hormone Wiesengrünmasse Produkte: Fermentationsprodukte (Milchsäure) Proteine (weiss, grün) spez. Enzyme Aminosäuren Hormone Alkaloide, Glykoside Farbstoffe (Chlorophyll, β-carotin) Fasern Energie Tourismus Kulturlandschaft (Erholung, Freizeit) Biotechnologische Produkte; Futter (Milch, Fleisch); Biogas Lebensraum f. Bevölkerung Einkommen Wiese Lebensraum (Biodiversität der Flora und Fauna) Grundwasser u. Trinkwasser Sicherung Erosionsschutz (Wasser, Wind) Erhalt der Bodenstruktur Filtration und Puffer von Schadstoffen

6 Wer? Rohstoff 1 [t FM/a] Rohstoff 2 [t FM/a] AGRANA Zuckerrüben (= t Zucker) Maiskörner getrocknet ~ Holzernte-Ö ~ Potenzial Wiesengrünmasse bis 2010: bis Tonnen Frischmasse pro Jahr ( bis t TM/a) ROHSTOFFE SÜD-OST STMK. "Gras" - Überschußproduktion [t TM/a] in den Bezirken Weiz, Hartberg, Fürstenfeld, Feldbach, Radkersburg Radkersburg Feldbach Weiz Fürstenfeld Hartberg Gesamt: t TM/a

7 Farm Biogas Plant Silo? liquid/solid Homemade Starter Cultures Decentralized Downstreaming Fibers Proteins Lactic Acid (Bioplastics, Solvent) other low volume-high price End Products Further Processing BioRefinery Systems Green BioRefinery Systems Silo Landwirte erzeugen Sekundärrohstoff Fraktionierung Produktion v. Ökolog. Produkten Proteine Futter Fermentation Bindemittel Milchsäure Lösungsmittel Kosmetik/Pharma Bio-Kunststoff Fasern Dämmplatten Panele Vliese BIOGAS Biogene Reststoffe liefern Prozessenergie 7

8 SYSTEM Dezentrale LW Einheiten Rohstoff- Erstbearbeitung =Sekundärrohstoff - Silage Industrie Produktion von Endprodukten verlässliche Supply- Chain Qualitätsstandards Dezentrale Weiterverarbeitung Mobile und dezentrale Aufbereitungsschritte Verringerung d. Transportmasse Teilung der Ströme Biogaserzeugung Org. QM Logistik Vertragsverwaltung Qualitätsmanagement Anbau Ernte -Aufbereitung Logistik-Partner Industrie ZIEL: Gewinnung von Proteinen und Milchsäure aus Gras- bzw. Silagesäften Proteine Vergleich: Grün u. Silage Proteine Zusammensetzung N-Bilanz Abtrennungsversuche Membrantrennverfahren vergleich mit klassischen Verfahren Produktentwicklung: Futtermittel Vorreinigung d. Milchsäure Auslegungsparameter für Pilotanlage Silage- u. Fraktionierungsversuche Gewinnung von Säften Milchsäure Abtrennung der MS Nachfermentation Silagesaft Membranverfahren Abklärung d. Möglichkeit von Chromatographie Ethyllactat bzw. Aminiumlactat - Ermittlung der Vorreinigungsschritte Syntheseversuche mit aufgereinigten Silagesäften

9 teilw FRAKTIONIERUNG 2002 Grünlandbiomasse 5200 kg 20,6 % TM Grassilage 4650 kg 20,3 % TM!! Doppelpressung ~1117 kg Grüner Saft mit ø 6,3 % TM; 1. Press. ø CP-Ausb.: ~20 % ~1350 kg Silage Saft mit ø 8,3 % TM EP ø MS-Ausb.: ~ % ø CP-Ausb.: ~45-55 % 85 C Dampf Brown Juice

10 Ö-Versuche: Koag. u. Zentrifugation Versuche 2001: Produkt mit bis zu 51 % Rohprotein i. d. TM bei Kleegras 40 % Rohproteinausbeute aus dem Saft Versuche 2002: Produkt mit bis zu % Rohprotein i. d. TM 45 bis 50 % Rohproteinausbeute aus dem Saft ULTRAFILTRATION Grün-Protein Versuche 2001: Rohprotein Rückhaltung 34 bis 51 % Produkte mit 17 bis 39 % CP Versuche 2002: zwei Membrane in Serie Produkte mit 28 (BRG) und 46 % (Luzerne) CP Gehalt

11 Ausbeutevergleich-Koagulation vom Rohstoff zum Produkt Rohproteinausbeute versch. Verfahren [% d. TM Input CP Grün] 60,00% 51% 55% 50,00% 40,00% % 30,00% 18-20% 20,00% 10-12% 10,00% 0,00% Pro Xan1 VEPEX2 GBR France Proteinabbau in Grassäften C 20 C 4 C 0 C Proteingehalt bezogen auf Frischprobe [%] Zeit [h] C 20 C 4 C 0 C Temperatur

12 ABTRENNUNG von Proteinen aus SILAGE-Säften Proteinabbau in der Silage zu Peptiden bzw. vorwiegend freien Aminosäuren Ausbeute bei Koagulation nur 3,1 % Rückhaltung bei Ultrafiltration nur 11 % (1 bis 15 kd) Kein Produkt auf diesem Weg möglich ABER HOHES Potenzial für Aminosäuren Abtrennung (als Gemisch od. Abtrennung einzelner AAs) Herstellung von freien Aminosäuren derzeit: Hydrolyse von Protein mit starker Mineralsäure (HCl) bei hohen Temperaturen und Drücken. (5 Stunden bei 120 C in einem) Enzymatische Hydrolyse von Proteinkonzentraten.

13 Aminosäuren aus Grassilage Aminosäurengemisch z.b. Tyrosin: 10 kg/ha Einzelne Aminosäuren Aminosäure- Fraktionen z.b. BCAA Untersuchung der Möglichkeiten der MS-Abtrennung u. Produktgew. Bei hohen Zuckergehalten (2001) Nachfermentation möglich ca. 80 % Hexosenabbau bis + 40 % Milchsäure (Versuche am IFA-Tullen) Versuche an der BOKU (S. Novalin) Ultrafiltration Nanofiltration Elektrodialyse (Ascheabtrennung, AA-Abtrennung) Chromatographie Versuche zur Erzeugung von Ethyllactat mit unterschiedlichen Modelllösungen (B. Kamm Univ. Potsdam) Kristallisationsversuche Aminiumlactat

14 Grasfasern aus Abpressversuchen Kleegras grün + 2x gepresst Kleegras siliert + 2x gepresst Verwertungsoptionen für Grasfasern Biogas Dämmstoffe Platten (Spanplatten, Faserplatten,...) Gartenbau, Materialien für Landschaftsbau, Materialien Verbundwerkstoffe/Composite s Form- & Pressteile Pellets (Tierfutter + Brennstoff) Papier + Karton Zellulosequelle für Z.-werkstoffe Zuschlagstoff in Baustoffen (Ziegel, Putze, Mörtel, Spachtelmassen)

15 Gartenbau-Materialien Pflanzgefäße (Bspl:Cocopot,Brinkman,NL) Torftöpfe (Meyer,D) Biogasertrag Presskuchen: ca. 500 l/kg otm

16 AUSBLICK 2003 bis 2004 Aufbau einer Basispilotanlage (Fraktionierung, Faseraufbereitung, Grobfiltration) bis Mitte 2003 Intensivierung der Milchsäureabtrennung Intensivierung der Aminosäureabtrennung (Versuche zur Feststoffhydrolyse und Refermentation des Silage-Presskuchens)