Neues, verbessertes Vier-Stufen-Verfahren optimiert den Betrieb von Bioraffinerien
Lignozellulosehaltige Biomasse ist eine reichlich vorhandene und erneuerbare Ressource. Tatsächlich handelt es sich um den am häufigsten vorkommenden und nachhaltigsten Rohstoff auf der Erde für die Herstellung von biobasierten Chemikalien und Werkstoffen. Die derzeitigen Verfahren verbrauchen aber zu viel Energie und Ressourcen, wodurch biobasierte Erzeugnisse teuer sind. Die einzelnen Verfahrensschritte können durch die Erarbeitung von Methoden zur Verfahrensintensivierung effizienter werden. Dazu werden mehrere Verarbeitungsschritte in eine einzige Arbeitseinheit integriert. So können Bioraffinerien Kosten minimieren, Abfälle reduzieren und die Produktion umweltfreundlicher Werkstoffe und Chemikalien fördern. Bioraffinerien werden voraussichtlich eine bedeutsame Rolle in der biobasierten Kreislaufwirtschaft einnehmen. Die kreislauforientierte Bioökonomie kann dazu beitragen, eine nachhaltige Zukunft aufzubauen und die ehrgeizigen Ziele des europäischen Grünen Deals zu erreichen, insbesondere den Weg zur Klimaneutralität.
Alles geht von der Reinigung und Umwandlung von Zucker aus
Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts BioSPRINT wurden die Bioraffinerieverfahren zur Reinigung und Umwandlung von Zuckern aus lignozellulosehaltiger Biomasse wie Holz und Stroh verbessert. Die Forschenden führten ein vierstufiges Verfahren zur Rückgewinnung von Zuckern aus der Hemizellulose aus Lignozellulose-Bioraffinerien ein, um daraus neue biobasierte Polymere herzustellen.
Ein integriertes schrittweises Bioraffineriemodell erstellen
In der ersten vorgelagerten Reinigungsstufe werden die Zucker mithilfe von Fällungs- und Membrantechnologien aus den Hemizelluloseströmen extrahiert. In einem zweiten Schritt werden diese Zucker dann durch optimierte Katalysatoren in Furane wie Furfural und 5-HMF umgewandelt. Der dritte Schritt besteht in der Abtrennung dieser Furane von den Reaktionslösungsmitteln zur Vorbereitung der Polymerisation. In diesem letzten Schritt werden die gereinigten Furane zur Herstellung von sogenannten Phenolharzen und Polyolen eingesetzt. „Durch den Einsatz innovativer Intensivierungsmethoden während aller Verarbeitungsschritte werden die Energieeffizienz und der Ressourcenverbrauch verbessert“, erklärt die BioSPRINT-Koordinatorin Christina Andreeßen. „Daraus entstehen niedrigere Produktionskosten und eine höhere geschäftliche Rentabilität von Bioraffinerien, was letztlich dazu beiträgt, die Herstellung von biologisch erneuerbaren Werkstoffen voranzutreiben.“ Beispiele für die Methoden sind innovative Fällungskonzepte unter Verwendung von Zentrifugalkraftfeldern, die Formulierung optimierter Katalysatoren, integrierte und intensivierte Destillationsverfahren und die durch Ultraschall unterstützte Polymerisation. Das Projektteam validierte die Vielseitigkeit und Skalierbarkeit der Technologien und bewies, dass sie mit verschiedenen Arten von Hemizelluloseströmen gut funktionieren.
Schulung, Ausbildung und Kapazitätsaufbau
An mehreren Webinaren und hybriden Workshops wurde von Personen aus Wissenschaft und Industrie zahlreich teilgenommen. Diese Veranstaltungen boten reichlich Gelegenheit für den gewinnbringenden Austausch und die Schulung im Zusammenhang mit den entwickelten Methoden zur Verfahrensintensivierung. Forschende und Fachleute aus der Industrie nutzen die Werkstoffe weiterhin als wertvolle Ressource für die Weiterentwicklung und Anwendung der Technologien für ihre eigenen Bioraffineriekonzepte. Einige der für die Workshops erstellten Inhalte zur Verbreitung von Forschungsergebnissen werden außerdem Bestandteil der neuen Masterstudiengänge an drei Universitäten und Forschungseinrichtungen in Finnland, Slowenien und dem Vereinigten Königreich sein, die an BioSPRINT beteiligt waren. Die Technologie der Verfahrensintensivierung steht auch im Einklang mit mehreren Zielen für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen, die Energieeffizienz, Abfallreduzierung, Ressourcenschonung, Emissionssenkung, Grundsätze der Kreislaufwirtschaft und nachhaltige Entwicklung betreffen. „Mit effizienten Bioraffinerieverfahren ist die Herstellung biobasierter Werkstoffe wirtschaftlicher und ressourcenschonender“, so Andreeßen abschließend. „Dadurch wird der Übergang zu einer biobasierten Kreislaufwirtschaft gefördert und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert.“
Schlüsselbegriffe
BioSPRINT, Werkstoff, Bioraffinerie, Energie, Verfahrensintensivierung, Hemizellulose, Furan, lignozellulosehaltige Biomasse, Reinigung, biobasierte Kreislaufwirtschaft
