Holz als umweltfreundlicher chemischer Grundstoff
Holz enthält wertvolle Komponenten, die sich als Grundstoff zur Herstellung von biobasierten chemischen Erzeugnissen, Materialien und Brennstoffen eignen. Allerdings sind diese Komponenten in einer komplexen faserigen Grundsubstanz gebunden und müssen, um sie nutzen zu können, aufbereitet werden. Ein Beispiel sind Zuckerverbindungen, die in ihren Polymerformen Zellulose und Hemizellulose gebunden und damit zunächst nicht für die Ethanol- und Butanolherstellung zur Verfügung stehen. Zudem hängt die Komplexität der Ligninstruktur von der Art und dem Alter des jeweiligen Holzes ab. Aus Lignin lässt sich Wärme und Strom erzeugen, es kann aber auch zu verschiedensten End- oder Zwischenprodukten weiterverarbeitet werden, etwa zu biologischen Kohlenstoffbindemitteln. Ziel des EU-finanzierten Projekts BIOFOREVER war es, die Machbarkeit einer europäischen Bioraffinerie zur Herstellung von Lignozellulosezuckern, Lignin/Ligninsulfonaten und anderen (nachgeschalteten) Produkten wie Kohlenstoffbindemitteln, Enzymen, Ethanol, Butanol und 2,5-Furandicarbonsäure, Nano-Zellulosen und Harzsäuren zu demonstrieren. Finanziert wurde die Initiative über das Gemeinsame Unternehmen für biobasierte Industriezweige (GUBBI), eine öffentlich-private Partnerschaft zwischen der EU und Industriepartnern.
Analyse von Wertschöpfungsketten
An BIOFOREVER waren 14 Industrieunternehmen beteiligt, die in den Bereichen Rohstofflieferung, Vorbehandlung, Weiterverarbeitung, technoökonomische Modelle und Prozessgestaltung sowie Marktforschung und Entwicklung führend sind. „Wir bewerteten Fichten-, Pappel- und Holzabfälle allgemein, aber auch andere Lignozellulosegrundstoffe, um Wertschöpfungsketten von höchster Rentabilität und Nachhaltigkeit zu erkennen“, erklärt Projektkoordinatorin Adriana Contin. Das Konsortium demonstrierte die Eignung von Lignozellulosebiomasse als Ausgangsmaterial für die chemische Industrie und etablierte mehrere neue kostengünstige und nachhaltige Wertschöpfungsketten für verschiedene Rohstoffquellen auf Lignozellulose-Holzbasis. „Mithilfe dieser Ergebnisse konnten wir Rohstoffe, Bioraffinerieverfahren, Endprodukte und Märkte optimal kombinieren, um anschließend diese Wertschöpfungsketten im kommerziellen Maßstab in einer Bioraffinerie erfolgreich umzusetzen“, so Contin. Die Forschenden bewerteten Wertschöpfungsketten von vier Holzarten, indem mit vier unterschiedlichen Vorbehandlungsverfahren neun biobasierte Produkte hergestellt wurden. Dabei wurden mehrere Kriterien wie Verfügbarkeit, Verarbeitung, Nachhaltigkeit, rechtliche Vorgaben und Kosten berücksichtigt. Schließlich wurden ausgewählte Wertschöpfungsketten im vorkommerziellen Maßstab zur Herstellung von Butanol, Harzsäuren, zellulolytischen Enzymen, Kohlenstoffbindemitteln, Fruktose, Ethanol und Spezialzucker demonstriert. Weitere Bewertungen für 2,5-Furandicarbonsäure sollen im Rahmen des Vorzeigeprojekts der biobasierten Industrie PEFerence erfolgen.
Vorteile für Gesundheit und Umwelt
Nach der erfolgreichen vorkommerziellen Demonstration führten die Konsortiumpartner eine detaillierte technoökonomische Analyse durch, in der vier unterschiedliche Vorbehandlungen im Einzelnen verglichen wurden. Wie eine Lebenszyklusanalyse ergab, kann mit Zellulosezuckern unter bestimmten Umständen eine CO2-Reduktion erreicht werden, was mit Zuckern der ersten Generation noch nicht gelingt. Die Ligninfraktion als Grundstoff für die Energieerzeugung verbessert die Ökobilanz beträchtlich. Am rentabelsten war, zumindest bei jetziger Marktlage, das biobasierte, aus Altholz erzeugte Endprodukt Ethanol. Ethanol kann als Biokraftstoff genutzt werden, aber auch als chemische Zwischenstufe und Ausgangsbasis für die breitere Umsetzung biobasierter Technologien fungieren. Vorgestellt wurde schließlich ein konzeptionelles Technikpaket als Grundlage für die nächste Phase der Umsetzung von BIOFOREVER. Hinsichtlich der Verwendung von Nebenprodukten erwies sich ein spezifisches Ligninsulfonat als praktikabler Ersatz für Kohlenteerpech, das derzeit zur Bindung von Kohlenstoff verwendet wird. „Mit solchen biobasierten Bindemitteln können Emissionsbelastungen durch polyaromatische Kohlenwasserstoffe für Arbeitskräfte in Aluminiumwerken, aber auch Treibhausgasemissionen aus der Aluminiumproduktion reduziert werden“, schließt Contin.
Schlüsselbegriffe
BIOFOREVER, Grundstoff, Holz, Wertschöpfungskette, Lignozellulose, Ligninsulfonat, Lebenszyklusanalyse