Stofflich-energetische Vollverwertung von Kulturpflanzen: ohne Lignin zu mehr Biogas?

Landwirtschaftliche Biogasanlagen werden neben Gülle vor allem mit nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRo), sogenannten Energiepflanzen, betrieben. Vor diesem Hintergrund zielten Züchtungsversuche in jüngster Zeit auf eine Erhöhung der Hektarerträge ab. Höhere Erträge, die scheinbar einen höheren Biogasertrag pro Anbaufläche versprechen, werden jedoch meist mit einem erhöhten Anteil an Lignin, der Struktur- und Stützsubstanz der Pflanzen, bezahlt. Lignin wird allerdings in Biogasanlagen nicht durch die anaerobe Bakterienmischkultur verstoffwechselt, so dass der Zuwachs an Biomasse nur zu einem Teil zu Biogas umgesetzt werden kann [1]. Der Rest (Lignin) führt zu einer Erhöhung der Gärrückstände und muss in der Regel entsorgt werden. Die Gesamteffizienz und die wirtschaftliche Attraktivität des anaeoben Vergärungsprozesses zur Gewinnung von Methan können durch eine Vorbehandlung der Substrate sowie eine stoffliche Produktverwertung erheblich verbessert werden.

Ziel des vorgestellten Projekts ist eine vollständige Verwertung der für NaWaRo-Anlagen typischen Substrate durch eine integrierte energetisch-stoffliche Nutzung. Kohlenhydrate, Fette und Proteine werden zu Biogas vergoren und das nicht vergärbare Lignin wird abgetrennt und stofflich verwertet. Zudem soll Methan mittels Membranreaktoren in Gegenwart von Kohlenstoffdioxid oxidativ zu C1-Oxygenaten (Formaldehyd und Methanol) umgesetzt werden. Diese Verbindungen können entweder stofflich zur Synthese von Chemierohstoffen oder zur Verbesserung der Transport- und Speichereigenschaften des gasförmigen Methans (Projektpartner LIKAT) verwertet werden. Damit werden wichtige Grundlagen für ein integratives Konzept im Sinne einer Kaskadennutzung geschaffen und die internationale Wettbewerbsfähigkeit deutscher Technologieanbieter gestärkt.

In methanogenen Mischkulturen wird organische Materie in mehreren Reaktionsschritten zu Methan umgesetzt. Makromoleküle wie Kohlenhydrate, Fette und Proteine werden dabei zunächst hydrolysiert, bevor sie zu organischen Säuren, Alkoholen (acidogene Bakterien), Essigsäure (acetogene Bakterien) und schließlich zu Methan und CO₂ (methanogene Bakterien) umgesetzt werden [2].

Nach bisherigen Erfahrungen mit der Ligninabtrennung aus Pflanzenmaterial ist damit zu rechnen, dass durch den Aufschluss und die Ligninabtrennung die Lignocellulosestruktur aufgeweitet wird. Dies sollte zu einer besseren Substratverfügbarkeit frei zugänglicher Kohlenhydrate in Form von Cellulose, zur Verringerung des Anteils schlecht hydrolysierbarer Verbindungen und dadurch zu höheren Umsatzraten im Gärprozess führen. Die Substratproben wurden daher zunächst im Labormaßstab und momentan im Technikumsmaßstab in einem methanogenen Abbauprozess mit hoher Raumbelastung in ideal durchmischten Reaktoren untersucht.

Die Substrate Grünroggen-, Mais- und Sorghumsilage wurden jeweils unzerkleinert, zerkleinert und nach Ligninextraktion für die Biogasproduktion im 1-Liter-Labormaßstab eingesetzt. In den drei bzw. vier Beschickungszyklen wurden alle Substrate bei stabilen pH-Werten und Fettsäurekonzentrationen innerhalb von 7 Tagen zu Biogas umgesetzt. Zusätzlich wurde der chemische Sauerstoffbedarfsgehalt (CSB-Gehalt) reduziert. Für die Vergärung wichtige Nährstoffe wie NH₄⁺-N und PO₄^3--P waren über die gesamte Fermentationsdauer in ausreichender Konzentration im Reaktor vorhanden.

Mit ligninexrahierter Sorghumsilage wurde im Vergleich zu ligninextrahierter Mais- und Grünroggensilage eine höhere Biogasausbeute von etwa 800–850 NmL/g oTR erreicht. Grundsätzlich zeigten die Substrate ohne Lignin aufgrund der aufgeweiteten Lignocellulose-Struktur mehr Biogasausbeute. Die mechanisch zerkleinerten Substrate wiesen im Allgemeinen eine höhere Biogasproduktion im Vergleich zu unzerkleinerten Substraten auf. Nur bei Sorghumsilage war dies nicht zu beobachten. Hier vermuten wir, dass Komponenten freigesetzt wurden, die den Biogasprozess beinträchtigen.

Eine vor die Biogasproduktion geschaltete Ligninextraktion stellt eine vielversprechende Steigerung der Biogasausbeute bei gleichzeitiger Wertschöpfung des Rohstoffs Lignin als Ausgangsmaterial für die chemische Industrie dar. So ist Lignin beispielsweise ein adäquater Ersatzstoff für Phenol bei der Produktion von Harzen. Im Anschluss an das Projekt sollen die technischen Ergebnisse in den industriellen Maßstab überführt werden, um mittelfristig eine Serienproduktion von Anlagen zur Ligninpräparation, Biogasproduktion und Verwertung zu ermöglichen.

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förderung des Projekts »Energetisch-stoffliche Vollverwertung von Kulturpflanzen; Ligninabtrennung, Fermentation und partielle Oxidation; Teilvorhaben: Untersuchungen zur Biogasproduktion aus NaWaRo «, Förderkennzeichen 03SF0362A.

Fraunhofer ICT, Pfinztal | Leibniz-Institut für Katalyse e.V. an der Universität  | Rostock (LIKAT), Rostock | Hüttenes-Albertus Chemische Werke GmbH, Düsseldorf | Hölle & Hüttner AG, Tübingen | Johann Dudek Maschinenbau, Berlin | SLP GmbH, Wurmannsquick | BL1 GmbH Lichtenau, Lichtenau

[1] Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., FNR (2009) Handreichung Biogasgewinnung und -nutzung

[2] De Lemos Chernicharo, C. A. (2007) Anaerobic Reactors, IWA Publisher