Verfahren für den Aufschluss kohlenhydratbasierter Biomasse

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1 2 Das Edukt Biomasse Dieses Kapitel befasst sich mit der Charakterisierung der Biomasse. Dazu werden ausgewählte Aspekte zur Beschreibung der unterschiedlichen Biomassearten, der chemischen Eigenschaften und entsprechende Verfahren zum Aufschluss von kohlenhydrathaltiger Biomasse diskutiert. Abschließend wird der Begriff Zucker für diese Arbeit angepasst definiert, da nur bestimmte Kohlenhydrate näher betrachtet werden sollen. Definition Biomasse Der Begriff der Biomasse ist nicht einheitlich definiert. Im Kern jedoch prägt sich das Verständnis darin, dass Biomasse alle organischen Stoffe biogener, nicht fossiler Herkunft umfasst, die in relativ kurzer Zeit als erneuerbar gelten. Im Kontext einer energietechnischen Definition können diese Materialien auch als Energieträger angesehen werden. So zählen beispielsweise Restholz und landwirtschaftliche Erzeugnisse, Nebenprodukte und Abfälle, sowie Bioabfälle als Biomasse (Grimm, et al., 2011) (Kaltschmitt, et al., 2009). Die geschätzte, jährliche Biomasseproduktion auf der Erde beträgt ca. 180 Milliarden Tonnen. Davon ist neben Lignin (20 %) und anderen Naturstoffen (5 %) wie Fetten und Proteinen der größte Anteil, d.h. 75 %, der Klasse der Kohlenhydrate zugehörig. (Lichtenthaler, 2012). Die Bestandteile der Biomassen können in vielfältige Wertprodukte für Industrien im Bereich der Kosmetik, Pharmazie, Lebensmittel, Chemie und Energie umgewandelt werden (Kamm, et al., 2007). Biokraftstoffe wie Biodiesel oder Bioethanol sind aus ölhaltigen bzw. kohlenhydrathaltigen Biomassen herstellbar (vgl. Abschnitt 1.1.5). Aufgrund der großen weltweiten Verfügbarkeit von kohlenhydratbasierter Biomasse und deren Umwandelbarkeit in chemische Energiespeicher, d.h. auch Kraftstoffe, wird diese im Folgenden als Rohstoff für die Kraftstoffsynthesen im Detail betrachtet. Die Chemie der Kohlenhydrate charakterisiert dazugehörige Komponenten mit der allgemeinen Summenformel Cn(H2O)n und damit formal als hydratisierten Kohlenstoff. Die Bezeichnung für einfache Kohlenhydrate ist Zucker bzw. Saccharid, und abhängig von der Anzahl der Monomereinheiten wird z.b. zwischen Mono-, Di- oder Polysacchariden unterschieden. Kohlenhydrate sind Aldehyde oder Ketone und besitzen mindestens zwei Hydroxygruppen im Molekül, d.h. sie sind somit Aldosen oder Ketosen (Vollhardt, et al., 2011). Die wichtigsten Vertreter der Zucker sind Glukose, Fruktose und z.b. auch Xylose als Pentose. Diese Monomere sind in unterschiedlicher chemischer Verknüpfung in der kohlenhydrathaltigen Biomasse gebunden und sind somit Bestandteile der Kohlenhydratpolymere Cellulose, Hemicellulose und Stärke. Verfahren für den Aufschluss kohlenhydratbasierter Biomasse In Abhängigkeit von der unterschiedlichen Komplexität des Aufbaus der kohlenhydrathaltigen Biomasse und der Art sowie dem Gehalt der Kohlenhydratbestandteile kann eine Unterscheidung in drei Klassen vorgenommen werden: Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2017 L. Witzke, Alternative Kraftstoffe für die dieselmotorische Verbrennung aus kohlenhydrathaltigen Biomassen und basierend auf bio- und chemisch-katalytischen Herstellverfahren, AutoUni Schriftenreihe 100, DOI / _2

2 14 2 Das Edukt Biomasse Zuckerhaltige Biomasse: Saccharose (Glukose, Fruktose), Wasser, Fasermaterial Bsp.: Zuckerrohr, Zuckerrübe Zuckergehalt C6-Zucker: ca % (Schiweck, et al., 2007) Stärkehaltige Biomasse: Stärke, Wasser, Fasermaterial Bsp.: Fruchtstand der Mais- oder Weizenpflanze Gehalt der Kohlenhydratfraktion Stärke: ca % (Réczey, et al., 2006) Lignocellulosehaltige Biomasse: Lignin, Cellulose, Hemicellulose, Wasser Bsp.: Pflanzenstroh, Holz Gehalt der Kohlenhydratfraktionen Cellulose, Hemicellulose: ca % (Gnansounou, et al., 2010) Die Abbildung 2-1 zeigt eine Übersicht zu den verfahrenstechnischen Methoden für den Aufschluss der jeweiligen Biomasseart mit dem Ziel, die einzelnen Fraktionen für spezifische Nutzungspfade verfügbar zu machen (vgl. Kap. 2.3). Die Darstellung weist auch die zuckerhaltigen Zwischenprodukte aus, die beim jeweiligen Aufschlussverfahren auftreten. Abbildung 2-1: Übersicht zu den verfahrenstechnischen Methoden zum Aufschluss kohlenhydratbasierter Biomassen Mit dem zunehmend komplexen Aufbau der kohlenhydratbasierten Biomasse steigt der verfahrenstechnische Aufwand an, um die einzelnen Fraktionen aufzuarbeiten und voneinander zu isolieren. Es ist erkennbar, dass bei stärke- und lignocellulosehaltiger Biomasse nach Separation der Kohlenhydratfraktion zusätzlich eine Hydrolyse-Stufe erforderlich ist, um die jeweiligen Zuckermonomere zu erhalten. Weiterhin ist ersichtlich, dass verschiedene Verfahrensarten für den Aufschluss angewendet werden. Diese werden im Folgenden genauer erläutert. Aufarbeitung von zuckerhaltiger Biomasse Zuckerrohr und Zuckerrüben sind typische Ackerfrüchte und können aufgrund ihres Kohlenhydrat-Bestandteils Saccharose als zuckerhaltige Biomasse bezeichnet werden. Zuckerrüben enthalten bei einem Wassergehalt von ca. 76 % einen Zuckergehalt von ca. 16 %, sowie 8 % andere Bestandteile bzw. Fasermaterial. Zuckerrohrstiele enthalten ca. 74 % Wasser bei einem Zuckergehalt von max. 14 % und Nichtzucker-Reststoff von ca. 12 % (Schiweck, et al.,

3 2.2 Verfahren für den Aufschluss kohlenhydratbasierter Biomasse ). Die Kohlenhydratfraktion Saccharose besteht dabei aus dem Verbund aus einem Molekül Glukose und Fruktose, die mit Hilfe einer sauren Hydrolyse voneinander gespalten werden können (Corma, et al., 2007) (Chatterjee, et al., 2015). Das industriell etablierte Verfahren zur Verarbeitung von zuckerhaltigen Biomassen umfasst die mechanische Zerkleinerung der Biomasse, das Herauslösen des Zuckers u.a. mit Hilfe von chemischen Agenzien und die Aufkonzentrierung zu Dünn- und Dicksäften, und bei anschließender mehrstufiger Kristallisation wird Raffinadezucker erhalten (Schiweck, et al., 2007). Entsprechende Anlagen sind wirtschaftlich, wenn die Schlempe oder die Zuckerrohrbagasse genutzt werden um den hohen thermischen Bedarf dieser Anlagen bereit-zustellen. Konzentrierte Zuckersäfte ab 60 % Saccharosegehalt sind lagerfähig. Melasse oder Zuckerdicksäfte werden dann wiederum in der Lebensmittelproduktion und für fermentative Prozesse in der Biotechnologie eingesetzt. Hefe (Saccharomyces cerevisiae) als der meistverwendete Mikroorganismus für die biotechnologische Wertstoffproduktion besitzt im Stoffwechsel ein geeignetes Enzym um die Saccharose in Invertzucker, d.h. Glukose und Fruktose aufzuspalten und diese einzeln zu verwerten. Aufarbeitung von stärkehaltiger Biomasse Die industrielle Herstellung von Glukose aus Pflanzenstärken erfolgt mittels Zerkleinerung bzw. Mahlen und im zweiten Schritt der Stärkeverzuckerung, z.b. einer enzymatischen Hydrolyse. Stärke ist ein Homopolymer bestehend aus Glukose-Molekülen, die jeweils über α-d- 1,4-glykosidische Bindungen miteinander verknüpft sind. Die Hydrolyse von Stärke führt über Maltose zu Glukose (Hart, et al., 2007). Aus stärkehaltigen Biomassen wie Mais- oder Weizenstärke, kann nach Hydrolyse ein Isoglukose-Sirup erzeugt werden (Hart, et al., 2007). Durch den Einsatz entsprechender Enzyme für eine Isomerisierung von Glukose lässt sich der Fruktoseanteil gegenüber der Glukose erhöhen und es werden High Fructose Corn Sirupe (HFCS) erhalten mit einem Fruktose-Anteil von über 50 % (Tegge, 2004). Stärkeprodukte werden in verschiedenen Industriesektoren benötigt, von großer Bedeutung sind dabei Papierherstellung, Chemische Industrie und Fermentationsprozesse, sowie die Nahrungsmittelindustrie (Süßwaren, Getränke) (VDGS, 2015). Aufarbeitung von lignocellulosehaltiger Biomasse Zu den lignocellulosehaltigen Biomassen gehören Weizenstroh, Maisstroh, Zuckerrohrbagasse als landwirtschaftliche und industrielle Reststoffe, sowie Energiepflanzen und Holz. Diese Biomassen sind im Vergleich zu zucker- oder stärkehaltiger Biomasse chemisch komplexer aufgebaut, da unterschiedliche Kohlenhydratpolymere vorliegen und diese auch mit komplexen Strukturen wie Lignin verbunden sind. Cellulose und Hemicellulose bilden eine Matrix, die Teil des pflanzlichen Stützgerüstes ist und für die Beständigkeit gegen hohe Zugund Biegebeanspruchung verantwortlich ist. Insbesondere im Kontext einer angestrebten Biokraftstoffherstellung ohne Nutzungskonkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion rücken die lignocellulosehaltigen Biomassen immer mehr in den Fokus. Sie bestehen grundsätzlich aus den Bestandteilen Lignin, Hemicellulose und Cellulose, die in den Verhältnissen Lignin %, Hemicellulose % und Cellulose % vorliegen (Alonso, et al., 2010). Cellulose kann durch die Summenformel (C6H10O5) beschrieben werden und stellt ein Polymer aus Glukoseeinheiten dar, welche über glykosidische Bindungen miteinander verknüpft sind. Es liegt in kristalliner Struktur vor und ist inner-

4 16 2 Das Edukt Biomasse halb der Matrix aus Lignin und Hemicellulose fest gebunden. Hemicellulose ist ein Zuckerpolymer bestehend aus fünf Monosacchariden, d.h. Pentosen und Hexosen. Die Struktur von Hemicellulose ist verzweigt und innerhalb der Lignocellulose-Biomasse mit Lignin verknüpft. Lignin als amorphes Polymer besteht aus verschiedenen Komponenten, darunter Phenole. Lignin umgibt Hemicellulose und Cellulose, weshalb die gesamte Struktur zunächst aufgebrochen werden muss um die Kohlenhydrate freizulegen. Abbildung 2-2: Darstellung der Struktur lignocellulosehaltiger Biomasse vor und nach dem Einsatz von Vorbehandlungsprozessen (Chaturvedi, et al., 2013) Die Abbildung 2-2 zeigt schematisch den Aufbau der Lignocellulose. Der Begriff Pretreatment fasst hierbei die möglichen Aufschlussmethoden zusammen, die eine Separation der einzelnen Fraktionen ermöglichen. Ziel aller Methoden des Pretreatments ist es, die Porosität und damit die für chemische Agenzien zugängliche Biomasseoberfläche zu vergrößern, sowie im Weiteren die Bindungen zwischen den drei Polymeren aufzubrechen (Alvira, et al., 2010) (Taherzadeh, et al., 2008). Cellulose und Hemicellulose werden freigesetzt und können mittels nachfolgender Hydrolyse bzw. Verzuckerung in ihre Kohlenhydratmonomere, z.b. Glukose zerlegt werden. Somit können diese als Rohstoff für fermentative Verfahren mittels mikrobieller Konversion fungieren (Kumar, et al., 2009). Lignin kann als Feststoff abgetrennt werden und wird üblicherweise einer thermischen Verwertung, d.h. Energiegewinnung durch Verbrennung zugeführt. Die einzelnen Fraktionen sind somit separat voneinander für die Umwandlung in Wertprodukte verfügbar. Ein idealer Aufschluss von lignocellulosehaltiger Biomasse führt zu einer beschränkten Bildung von Nebenprodukten, die unter Umständen einen Fermentationsprozess inhibieren könnten, und ist kosteneffizient. Die Aufarbeitungsverfahren zum Aufschluss von Biomasse lassen sich nach den verfahrenstechnischen Prozessarten in vier Kategorien einteilen (Kumar, et al., 2009) (Taherzadeh, et al., 2008): Physikalische Methoden: Mechanische Zerkleinerung Physikalisch-chemische Methoden: Dampfexplosion mit Ammoniaklösung Chemische Methoden: Verwendung von Säuren, Basen, oxidierenden Agenzien, organischen Lösungsmitteln Biologische Methoden: Mikroorganismen bzw. Pilze

5 2.2 Verfahren für den Aufschluss kohlenhydratbasierter Biomasse 17 Die Methoden unterscheiden sich hinsichtlich der Reaktionsbedingungen und der Verwendung von Katalysatoren. So kann eine Hydrolyse zum Beispiel durch ein chemisches Agens oder biochemisch mittels eines Enzyms durchgeführt werden. Bei der Auswahl der geeigneten Aufschlussmethode spielen mehrere Randbedingungen eine ausschlaggebende Rolle, insbesondere die Zusammensetzung des Rohstoffes, das Anwendungsziel des gewünschten Wertproduktes, die Selektivität der Reaktion, die Nebenproduktbildung, sowie natürlich auch die wirtschaftliche Effizienz des Verfahrens (Alvira, et al., 2010) (Mosier, et al., 2005). Im Folgenden sollen einige ausgewählte Methoden mit häufiger industrieller Anwendung erläutert werden. Bei den physikalisch-chemischen Methoden ist der hydrothermale Aufschluss mittels Hochdruck-Wasserdampf und bei hohen Temperaturen (> 150 C) üblich. Hierbei wird die Biomasse vom Dampf sehr schnell erhitzt, dadurch werden die Biomassefasern zerstört. Die Abbaubarkeit der Cellulose und die Löslichkeit von Hemicellulose werden verbessert. Nachteilig ist jedoch, dass Lignin unvollständig aufgeschlossen wird und Nebenprodukte mit teils inhibierender Wirkung auf Downstream-Prozesse entstehen (Barchyn, et al., 2014) (Pérez, et al., 2008). Durch die zusätzliche Zugabe von Ammoniaklösung (Ammonia fiber explosion (AF- EX)) kann eine extreme Oberflächenvergrößerung erzielt werden, sowie eine effektive Spaltung der Lignin-Kohlenhydratverbindungen und Delignifikation. Die Bildung toxischer Nebenprodukte kann reduziert werden (Teymouri, et al., 2005). Beim chemischen Biomasseaufschluss wird mit Säuren, Basen, organischen Lösungsmitteln oder auch ionischen Flüssigkeiten gearbeitet. Die Säurehydrolyse ist die häufigste Methode zur Depolymerisation von Cellulose und Hemicellulose, es kommen hierbei konzentrierte Mineralsäuren wie Schwefelsäure (H2SO4), Salzsäure (HCl) oder Ammoniaklösung zum Einsatz. Nachteil bei diesem Verfahren ist die Nebenproduktbildung von Furanen (Kootstra, et al., 2009). Eine Hydrolyse mit Basen bietet im Gegensatz dazu die Vorteile, dass die Hydrolyse der Kohlenhydratfraktionen unterstützt wird und keine Nebenprodukte gebildet werden. Basen und Hydroxide sind vergleichsweise kostengünstig, das Downstream Processing zur Abtrennung wird hingegen teurer (Tutt, et al., 2012) (Chaturvedi, et al., 2013). Im Weiteren können organische Lösungsmittel wie z.b. Ethanol oder Aceton Einsatz finden. Diese sogenannten Organosolv-Prozesse sind energieintensiv, aber es kann ein hoher Zersetzungsgrad von Hemicellulose und eine hohe Reinheit der Lignin-Fraktion erzielt werden. Der besondere Vorteil liegt in der guten thermischen Abtrennbarkeit der Lösungsmittel, allerdings sind diese kostenintensiv (Michels, et al., 2010) (Zhao, et al., 2009). Ein chemischer Aufschluss mittels ionischen Flüssigkeiten bietet die Vorteile, dass Cellulose unter milden Bedingungen effektiv aufgelöst werden kann und die ionische Flüssigkeit mit hoher Reinheit rückgewinnbar ist. Entsprechende Verfahrensbeschreibungen und Anwendung ist z.b. in der folgenden Literatur enthalten (Brandt, et al., 2013) (Viell, et al., 2013). Bei den biologischen Methoden dient entweder ein Enzym oder ein Mikroorganismus als Katalysator für die Reaktionen des Biomasseaufschlusses. Die enzymatische Hydrolyse dient der Depolymerisation von Cellulose und Hemicellulose in die Monosaccharide und wird häufig nach einer Methode eingesetzt, die die Biomassestruktur bereits aufgebrochen hat. Die mikrobielle Hydrolyse ist die Methode der Wahl, wenn milde Reaktionsbedingungen gefordert sind. Bei u.u. langen Reaktionszeiten können Pilze Hemicellulose abbauen, die Selektivität gegenüber Lignin bleibt dabei eine Herausforderung (Meyer, et al., 2013) Alle vorgestellten Verfahren zum Aufschluss von lignocellulosehaltiger Biomasse werden häufig miteinander kombiniert, die spezifische Anwendung ist dabei stark rohstoffabhängig

6 18 2 Das Edukt Biomasse (Kim, et al., 2008). Bei einigen Verfahren, insbesondere bei Hochtemperaturverfahren ab 150 C und unter sauren Bedingungen entstehen Nebenprodukte, die Inhibitoren für nachgeschaltete Fermentationsprozesse darstellen, wie z.b. Furane. Industrielle Nutzung von kohlenhydratbasierter Biomasse Kohlenhydratbasierte Biomasse enthält abhängig von der Art die Kohlehydratfraktionen Cellulose, Hemicellulose, Stärke oder Saccharose (vgl. Kap. 2.2). Die einzelnen Fraktionen finden in unterschiedlichen Nutzungs- und Wertproduktpfaden Verwendung. Für die chemische Industrie sind die Kohlenhydrate als organische, nachwachsende Rohstoffe für eine stoffliche Nutzung, d.h. Chemikalien- oder Wertstoffproduktion interessant. Vorteil der Kohlenhydrate ist hierbei die vielfältige chemische Funktionalisierung der Komponenten. Die verfahrenstechnische Herausforderung liegt in der Separation der drei Biopolymere voneinander, um eine selektive Nutzung der Fraktionen zu ermöglichen (Kamm, et al., 2007) (siehe Abschnitt 2.2). Werden Produkte wie z.b. Kraftstoff hergestellt oder sind für eine Verbrennung vorgesehen, handelt es sich um eine energetische Nutzung. Das Lignin der lignocellulosehaltigen Biomasse wird üblicherweise thermisch verwertet und bei entsprechenden Anlagen lässt sich somit der externe Energiebedarf senken. Als ein Beispiel für die Verarbeitung von kohlenhydratbasierter Biomasse sei das Konzept der Lignocellulose-Bioraffinerie erläutert, das eine ganzheitliche und integrative Nutzung aller Produkt-, Nebenprodukt- und Abfallströme anstrebt (vgl. Abschnitt 1.1.4) (Kamm, et al., 2006). Die Lignocellulose-Bioraffierie ist von großer Bedeutung und Interesse, da seitens des Rohstoffes keine Konkurrenz zur Nahrungsmittelherstellung besteht und vielfältige Produkte erzeugt werden können. Die bei vielschrittigen Umwandlungsprozessen entstehenden Intermediate können bestimmten Gruppen zugeordnet werden. So repräsentieren Cellulose, Lignin und Hemicellulose Präkursoren und z.b. Glukose sowie Fruktose fungieren als eine Zuckerplattform, woraus Plattformchemikalien wie z.b. Furfural synthetisiert werden können. Aus Plattformchemikalien bauen sich wiederum Produktstammbäume auf (Kamm, et al., 2007) (Grimm, et al., 2011). Verschiedene Institutionen wie u.a. das Department of Energy (DOE) hat eine Übersicht zu biomassebasierten Produkten aufgestellt, wobei alle Biomasse- Komponenten mit den entsprechenden Umwandlungswegen zu Building Blocks 7, Zwischenprodukten und Endprodukten dargestellt sind. Aus der Stoffklasse der Furane werden die Komponenten Furfural und 5-Hydroxymethylfurfural als Building Blocks bezeichnet (Werpy, et al., 2004). Im späteren Verlauf der Arbeit spielt die Stoffklasse der Furane als Kraftstoff eine Rolle (Kapitel 3). Zucker nimmt damit bei biomassewandelnden bzw. bei insbesondere in der wässrigen Phase als Reaktionsmedium stattfindenden Verfahren stets eine zentrale Rolle ein. Eine Forderung vor dem Hintergrund angestrebter nachhaltiger Prozesse ist, die Abbauprozesse über Glukose als Zuckerplattform zu Bulk-Chemikalien möglichst eng mit den Aufbauprozessen zu Folgechemikalien zu verknüpfen (Kamm, et al., 2007). Diese Philosophie wird von dem Forschungsprojekt Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse der RWTH Aachen bei der 7 Building blocks (eng.) können mit Plattformchemikalien (dt.) gleichgesetzt werden.

7 2.3 Industrielle Nutzung von kohlenhydratbasierter Biomasse 19 Suche nach möglichst direkten Synthesewegen von der Biomasse zum Kraftstoff verfolgt (siehe Abbildung 1-3 in Kap ). Die Umwandlung von Biomasse in Kraftstoffe birgt besondere Herausforderungen. Kohlenhydrate mit der allgemeinen, elementaren Zusammensetzung von C:H:O besitzen oftmals mehrere chemische Funktionalisierungen in ihrer Molekülstruktur, wie z.b. Hydroxy-, oder Aldehydgruppen. Die Zucker als Kohlenhydrat-Monomere weisen eine Kohlenstoffanzahl von maximal sechs, d.h. Hexosen auf. Im Gegensatz dazu sind konventionelle Kraftstoffe Kohlenwasserstoffe, d.h. diese sind frei von Sauerstoff und können mit dem Elementen- Verhältnis C:H beschrieben werden (Serrano-Ruiz, et al., 2011). In der Veröffentlichung von Alonso beschreibt dieser mögliche Verfahrensarten und Reaktionspfade, um Lignocellulose-haltige Biomasse in Wertstoffe, wie Kraftstoffe und Chemikalien zu konvertieren (Alonso, et al., 2010). Diese werden in der Abbildung 2-3 in einer Übersicht dargestellt. Abbildung 2-3: Verfahrensrouten zur Konversion von lignocellulosehaltiger Biomasse in flüssige Kraftstoffe (Eigene Darstellung nach (Alonso, et al., 2010)) Aus Lignocellulose(LC)-haltiger Biomasse können sowohl Otto- als auch Dieselkraftstoffe hergestellt werden. Alonso beschreibt die Herausforderungen bei der Konversion von LC- Biomasse zu Kohlenwasserstoffen wie folgt: Es sind mehrere chemische Reaktionsstufen erforderlich, d.h. zum einen die Eliminierung von Sauerstoff zur Anhebung des Heizwertes und zum anderen müssen kovalente Bindungen zwischen den Plattform-Intermediaten erzeugt werden, um Kohlenwasserstoffe mit einem hohem Molekulargewicht und den geforderten Verdampfungseigenschaften zu erhalten (Alonso, et al., 2010). Hierbei können thermochemische und hydrolytische Verfahren eingesetzt werden, so dass unter Bedingungen von Hochtemperatur-prozessen und in wässrigen Lösungen die Konversionsreaktionen stattfinden. Die Aufarbeitung zum Kraftstoff kann dann über Wasserstoff-verbrauchende Reaktionen wie die Hydrodesoxygenierung (z.b. Hydrotreating) oder über Reaktionen ohne Wasserstoffver-

8 20 2 Das Edukt Biomasse brauch wie z.b. eine Oligomerisierung bewerkstelligt werden (Alonso, et al., 2010) (vgl. auch Kap ). Industriell am häufigsten eingesetzte Verfahren für die Biokraftstoffherstellung aus kohlenhydratbasierter Biomasse ist die Erzeugung von Ethanol. In den USA ist die Ethanolproduktion aus Maisstärke dominierend, das Maisstroh wird dabei als Abfallprodukt zur Energieerzeugung verwendet. Beforscht wird aber auch die stoffliche Nutzung von Lignocellulose. Derzeitige Bioraffinerie-Anlagen in den USA befinden sich im Demonstrationsmaßstab, in Europa im Pilot- oder Demonstrationsmaßstab (Grimm, et al., 2011) (Bacovsky, et al., 2013). Ein Beispiel für eine Ethanolproduktion aus Weizenstroh ist die deutsche Firma Clariant in Straubing, die mit dem Verfahren Sunliquid in einer Demonstrationsanlage Ethanol (1000 Tonnen pro Jahr Kapazität) aus lignocellulosehaltiger Biomasse herstellt. Fazit und Begriffsdefinition Zucker In dem Kapitel Das Edukt Biomasse wurden verschiedene Aspekte zu den kohlenhydrathaltigen Biomassen selbst und mit Relevanz für eine Produktsynthese zu Kraftstoff betrachtet. Kohlenhydrathaltige Biomassen enthalten abhängig von der chemischen Komplexität ihres Aufbaus unterschiedliche Kohlenhydratfraktionen, die den verwertbaren Anteil für chemische und biochemische Folgesynthesen ausmachen. Mit Hilfe der vorgestellten Methoden können diese Kohlenhydratfraktionen wie z.b. Cellulose und Hemicellulose in ihre Monomere zerlegt werden, d.h. Monosaccharide wie Pentosen und Hexosen. Dabei treten Glukose und Fruktose am häufigsten auf. Der Begriff Zucker im technischen und rechtlichen Sinne bezeichnet üblicherweise das Disaccharid Saccharose (CAS-Nr ), bei dem chemisch jeweils ein Molekül Glukose und Fruktose über eine α,β-1,2-glykosidische Bindung miteinander verbunden sind. Für die weiteren Betrachtungen in dieser Arbeit, insbesondere in Kapitel 4, wird die Begrifflichkeit Zucker jedoch in einen erweiterten Bedeutungskontext gesetzt. Glukose und Fruktose als Monosaccharide sollen im Folgenden der Arbeit unter Zucker verstanden werden. Ausschlaggebender Grund dafür ist, dass Glukose und Fruktose Edukte für die chemisch- und biokatalytischen Synthesen zur Kraftstoffherstellung sind. Dabei liegen sie abhängig vom vorangegangenen Aufschlussverfahren und der Art der kohlenhydratbasierten Biomasse in Form eines Saccharose-haltigen Zuckerdicksaftes (aus zuckerhaltiger Biomasse) oder eines konzentrierten Fruktosesirups (HFCS, aus stärkehaltiger Biomasse) vor. Zucker hat somit in dieser Arbeit eine Bedeutung als Intermediat bei der Konversion von Biomasse zu Kraftstoff (vgl. Abschnitt 1.3). Nun kann diese Bezeichnung für die Verfahren konkretisiert werden zu Zucker zu Kraftstoff, da der Zucker, d.h. Glukose, Fruktose sowie Saccharose aus allen kohlenhydratbasierten Biomassen hergestellt werden kann. Im Kapitel 4 dieser Arbeit werden die Verfahren Zucker zu Kraftstoff ausführlich betrachtet und analysiert.

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