Möglichkeiten und Technologien für die stoffliche Nutzung agrarischer Reststoffe

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1 Möglichkeiten und Technologien für die stoffliche Nutzung agrarischer Reststoffe Dr. Henning Storz, Jörn Oetken Thünen-Institut für Agrartechnologie Braunschweig Seite Innovationsforum 1 Storz, SpreuStroh Oetken Malschwitz,

2 Gliederung Thünen-Institut für Agrartechnologie Arbeitsgebiete Eine biobasierte Wertschöpfungskette Stoffliche Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen am Thünen-Institut, Arbeiten und Projekte Biomasseaufschluss Biotechnische Konversion Chemisch katalytische Konversion Biobasierte Polymere und Materialien Seite 2

3 Thünen-Institut für Agrartechnologie Arbeitsbereiche Stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe Umwelttechnologie Boden u. Pflanze Umwelttechnologie Tier Prozess Ökonomie, Nachhaltigkeitsbewertung, LCA, CF 80 Mitarbeiter 35 (13) Wissenschaftler: Agrarwissenschaften, Biologie, Biotechnologie, Chemie Seite 3

4 Rohstoffbasis im Wandel Zukunft unserer fossilen Ressourcen Coal Oil? Normalized production CO 2 living from agriculture Gas living from agriculture Seite Year various sources

5 Eine biobasierte Wertschöpfungskette Futter/ Ernährung Kraftstoff + Energie Ernährung Bioraffinerie Chemikalien Polymere O HO O O HO HO HO O O Nachhaltige Landnutzung & Biodiversität Energie Vorbehandlung/ Hydrolyse fermentierbare Zucker Konversion biotechnisch und / oder chemisch Bio-basierte Chemikalien, Monomere Recycling, Downcycling CO 2 Seite 5

6 Thünen-AT: Stoffliche Nutzung von NaWaRo Rohstoffe und Produkte Rohstoffe Methoden Produkte Anwendungen Saccharose Glucose Fructose Xylose andere Zucker zuckerhaltige Hydrolysate aus agrar. Reststoffen Glycerin Fettderivate Seite 6 Biokonversion chem.-katalytische Konversion Biokat-Screening Katalysatorentwicklung Prozessoptimierung Produktisolierung Polymerisation Rheologie Materialoptimierung Zuckersäuren Itaconsäure Bernsteinsäure Fumar-/Maleinsäure D-Milchsäure n-butanol 1,3-Propandiol 2,3-Butandiol Threit/Erythrit/ Erythrulose Furfural HMF/FDCA Ethercarbonsäuren Polyester Polyamide Polyether Faserverbund Kunststoffe Klebstoffe Bindemittel Weichmacher Additive Lösemittel Farben & Lacke Wasch- und Reinigungsmittel Kosmetika Lebens- und Futtermittel sonstige

7 Einsatz von Reststoffen in Bioraffinerieprozessen Komplexer Aufbau erfordert Vorbehandlung Lignocellulose ist Strukturgerüst von Biomassen Komplexe Struktur und Verknüpfung von Cellulose, Hemicellulosen und Lignin bewirkt mechanische Stabilität Druckfestigkeit der Biomasse durch amorphe Matrix des Lignins Zugfestigkeit durch Cellulosefasern Kovalente Bindungen zwischen Lignin und Hemicellulose ist für Xylose, Arabinose und Galactose bewiesen Zwischen Hemicellulose und Cellulose sind Wasserstoff-Brückenbindungen für Stabilität verantwortlich Hemicellulose Lignin Cellulose Seite 7

8 Vorbehandlung und Verzuckerung agrarischer Reststoffe Verbreitete Technologien und Prozesse Vorbehandlungsprozesse: Thermisch: hot Water, Steam-Explosion Chemisch: Säuren, Basen Thermo-chemisch: Säuren, Basen, Lösemittel, Chemikalien Reststoff (gemahlen, zerkleinert) Vorbehandlung Temperaturbereich: 21~250 C z.b. Wasser verd./konz. Säure o. Basen Verzuckerungssprozesse: Chemisch: Säuren (Bergius, Scholler) Enzymatisch: Enzymcocktails Verzuckerung (Hydrolyse) Enzymatisch, chemisch (Säure) In einem Reaktor möglich Energie/ Materialien Lignin C5, C6 Zuckerlösungen Entgiftung, Aufkonzentration Fermentation Seite 8

9 Thünen-Institut für Agrartechnologie Stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe Biomasse Nachhaltigkeitsbewertung Vorbehandlung u. Verzuckerung chemisch Katalytische Konversion Aufarbeitung biotechnische Konversion Biobasierte Chemieprodukte (Basischemikalien, Polymere und Materialien) Seite 9

10 Biomasseaufschluss Arbeiten Mechanische/thermische Vorhandlung der Biomasse Chemische Aufschlussmethoden Enzymatische Verzuckerung Charakterisierung der Biomasse und der Aufschlussprodukte Spreu Projekte Aufschluss ligninarmer Biomassen und agr. Reststoffe Aufschlussreaktoren Seite 10

11 Biotechnische Konversion Arbeiten Anaerobierbank Screening nach Biokatalysatoren Fermentation / Prozessoptimierung Immobilisierung Projekte Itaconsäure D-Milchsäure 2,3-Butandiol Bernsteinsäure Fumarsäure Immobilisierung Fermenter Seite 11

12 Chemisch-katalytische Konversion Arbeiten Herstellung und Charakterisierung von Katalysatoren und Trägern Reaktion (batch/kontinuierlich Flüssigphase/Gasphase) Kinetik und Prozessentwicklung Projekte HMF/FDCA aus Kohlenhydraten Ethanol zu Butanol Funktionalisierung von Itaconsäure Maleinsäure aus Xylose Verschiedene Batch- und Kontireaktoren Seite 12

13 Aufarbeitung Arbeiten Adsorption Extraktion/Reaktivextraktion Membranverfahren Fällung/Kristallisation Pervaporation Projekte in-situ-extraktion von HMF Fällung/Kristallisation von FDCA Reaktivextraktion von Fermentationsprodukten in-situ Adsorption Reaktivextraktion Seite 13

14 Entwicklung von Biopolymeren und Materialien Arbeiten Herstellung/Modifikation von Monomeren Polymerisationsreaktionen Charakterisierung der Polymere und Materialien, Struktur- Eigenschaft- Beziehungen (z.b. Chromatographie, Spektroskopie, Rheologie) Projekte Neue biobasierte Polyester Biobasierte Schmelzklebstoffe Biobasierte Epoxid Bindemittel Biobasierte Polyesterharze Aufschluss-Reststoffe für Aktivkohlen Seite 14 Polymersynthese und Charakterisierung Rheologische, thermische und mechanische Prüfung

15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kohlefaser-Verbundwerkstoff mit Polymer aus Itaconsäure und 1,3-Propandiol Seite 15