Lignocellulose-Bioraffinerie

Steigende Rohstoffpreise und knapper werdende Erdölressourcen verstärken das Interesse an nachwachsenden Rohstoffen und an Strategien zur nachhaltigen Gewinnung spezieller Materialien, Feinchemikalien oder chemischer Vorprodukte. Angelehnt an die petrochemische Industrie sollen in Zukunft Bioraffinerien solche biobasierten Materialen zur Verfügung stellen. Als Chemierohstoff, der nachhaltig und ohne Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion zur Verfügung steht, bieten sich heimische Laubhölzer an. Für die Umwandlung von Holz oder Lignocellulose in Plattformchemikalien für die Chemie der Zukunft muss das Holz zunächst aufgeschlossen und in seine chemischen Grundbestandteile aufgetrennt werden.

Organosolv‑Lignin für vielfältige Anwendungen

In der zweiten Phase des Verbundvorhabens zur Lignocellulose‑Bioraffinerie wurde das Konzept einer holzbasierten Bioraffinerie am Fraunhofer CBP in Leuna im Pilotmaßstab erfolgreich umgesetzt. Die dafür erforderlichen Vorarbeiten wurden gemeinsam mit den Fraunhofer‑Instituten‑IGB und ICT sowie zwölf weiteren Projektpartnern aus Industrie und Forschung durchgeführt. Das in der ersten Projektphase entwickelte »Organosolv‑Verfahren« nutzt Mischungen von Alkohol und Wasser, um Holz unter Druck und hoher Temperatur in seine Grundbestandteile Cellulose, Hemicellulosen und Lignin zu fraktionieren. Cellulose und Hemicellulosen können dann mithilfe von Enzymen zu Zuckern umgewandelt werden. Lignin fällt im Gegensatz zu anderen Aufschlussverfahren in sehr reiner Form und ohne Schwefelverunreinigungen an. Dies ermöglicht vielfältige stoffliche Anwendungen.

Skalierung des Fraktionierungsprozesses in Pilotanlage

Im Fokus der Arbeiten am Fraunhofer CBP stand die Skalierung des Fraktionierungsprozesses in den Pilotmaßstab. In gemeinsamen Vorarbeiten mit den Projektpartnern wurden die grundlegenden Fragestellungen für die Festlegung des Verfahrens bearbeitet. Auf Basis der Ergebnisse erfolgten die Auslegung und Detailplanung der Anlage.

Die Pilotanlage bildet eine Vielzahl einzelner Prozessschritte zur Herstellung von konzentrierten Zuckerlösungen und Ligninpulver aus Holzhackschnitzeln ab. Bis zu 70 kg Holz können täglich verarbeitet werden. Die Anlage wurde so ausgelegt, dass die Stoff- und Energiekreisläufe geschlossen werden. Auf dem vereinfachten Anlagenschema (siehe Abb.) ist ersichtlich, dass das Holz zunächst in einem 400 Liter großen Reaktor bei bis zu 200 °C aufgeschlossen wird, wobei sich Lignin und Hemicellulosen im Ethanol‑Wasser‑Gemisch lösen.

Die zusätzlichen Tanks und Wärmetauscher der »Tankfarm« ermöglichen dabei eine Verdrängungswäsche des Aufschlussgutes bei Reaktionsbedingungen und die Rückgewinnung von Energie beim Aufschlussprozess. Aus der mit Lignin und Hemicellulosen angereicherten Aufschlusslösung wird Lignin durch Zugabe von Wasser oder Destillation des Ethanols ausgefällt, abfiltriert und nach einer Wäsche getrocknet. Aus dem Filtrat wird das eingesetzte Ethanol vollständig zurückgewonnen und es verbleiben die Hemicellulose‑Zucker.

Der Bau der Pilotanlage erfolgte zeitgleich mit dem Bau des CBP. Die Pilotanlage konnte im Frühjahr 2013 erfolgreich in Betrieb genommen werden. Seitdem optimieren wir die Einzelprozesse sowie den Gesamtprozess weiter. Zudem wurden vollständige Stoffbilanzen erstellt und Probenmuster im Kilogrammmaßstab an die Projektpartner für anwendungstechnische Untersuchungen verteilt.

Der feste faserige Rückstand des Aufschlusses wird zerkleinert und gewaschen, entwässert, mit Enzymen versetzt und dann in speziell am Fraunhofer IGB ausgelegten Rührreaktoren bei hoher Faserstoffkonzentration verzuckert. Nach einem Filtrationsschritt erhält man eine Glucoselösung, die zur Stabilisierung zu einem Sirup aufkonzentriert wird.

Grundstoffe für chemische und werkstoffliche Nutzung

Die in der Pilotanlage gewonnenen Zwischenprodukte – Lignin und Zucker – dienen als Grundstoffe für die chemische und werkstoffliche Nutzung. Die aus dem Holz gewonnenen Zucker wurden von den Projektpartnern als Rohstoff für Verfahren der industriellen Biotechnologie eingesetzt, um beispielsweise chemische Grundstoffe wie Milchsäure, Essigsäure, Bernsteinsäure oder Ethanol herzustellen. Der Vorteil der aus Holz gewonnenen Zucker ist, dass diese nicht in Konkurrenz zu Nahrungsmitteln stehen.

Das gewonnene Lignin konnte aufgrund seiner guten thermoplastischen Eigenschaften durch die Projektpartner direkt in Compounds für die Extrusion von Formteilen eingesetzt werden oder als Alternative für das erdölbasierte Phenol in Harzen und Polyurethanverbindungen genutzt werden. Zudem haben die Projektpartner verschiedene chemische und biotechnologische Möglichkeiten der Ligninspaltung untersucht, um aromatische Grundbestandteile zu erzeugen. Insgesamt wurden mit den Zucker- und Ligninproben aus der Pilotanlage zahlreiche Verfahren und Produkte entwickelt.

Ausblick

Mit der erfolgreichen Übertragung des Organosolv‑Aufschlusses in den Pilotmaßstab konnte demonstriert werden, dass die chemische Nutzung von Holz nach dem Konzept einer Bioraffinerie im technischen Maßstab funktioniert. Die Pilotanlage wird im Rahmen verschiedener internationaler und nationaler Forschungsprojekte genutzt, um das Verfahren weiter zu optimieren, die gewonnenen Zwischenprodukte in verschiedene Wertschöpfungsketten zu integrieren und letztendlich die industrielle Umsetzung der Lignocellulose‑Bioraffinerie vorzubereiten.