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Bioraffinerie: Die Idee nähert sich der Umsetzung

Kohle, Erdöl und dann? Die Vorbereitungen für den Ölwechsel laufen. Erdöl (und später auch Erdgas) geht zur Neige, unwiderruflich. Pessimisten sagen, der Oil Peak sei schon erreicht, Optimisten sagen das für 2020 voraus. Der fossile Rohstoff ist nicht nur wichtigster Energieträger, sondern auch wichtigster Rohstoff der chemischen Industrie. Größter Erdölverbraucher ist der Verkehr, die chemische Industrie hat einen Anteil von sieben Prozent.

Anders als zu Zeiten der "Ölkrise" zwingt der Klimawandel die Wirtschaft auf nachhaltige, ressourcenschonende und CO2-neutrale Wege. Zwar lassen sich petrochemische Produkte durch solche aus Kohle- und Erdgasveredelungstechniken ersetzen, aber das Klimaproblem wird dadurch nicht gelöst. Eine Lehre aus jüngsten Entwicklungen schränkt die Wahl alternativer Rohstoffe ein: die Produktion von Biotreibstoffen und anderer Produkte darf nicht zu Lasten der Nahrungsmittelproduktion gehen.

Aus der Kohlenstoffquelle Biomasse schöpfen

Noch steht keine Bioraffinerie. Allerdings soll jetzt nach dem Vorbild einer petrochemischen Raffinerie am Chemiestandort Leuna eine Art Modellraffinerie entstehen und die Lücke zwischen Labor und industrieller Anwendung schließen helfen. © Nutsch/pixelio.de

Für Fachleute gibt keine generelle beste Alternative zu Öl. Der Rohstoffwandel benötigt viele Technologien. Ein Lösungsweg wäre, den ständig durch Photosynthese neu gebildeten organischen Kohlenstoff in Form von Biomasse für die Herstellung von Chemikalien, Kunst- und Kraftstoffen zu nutzen.

Dazu erfordert es vielfach erst neue Prozesse einer nachhaltigen Stoffversorgung. Die Disziplinen Chemie, Biologie, Biotechnologie, Physik und Verfahrenstechnik müssen enger verzahnt werden. Und wenn die Biotechnologie künftig tatsächlich die Schlüsselrolle spielen soll, die ihr alle wichtigen Chemieunternehmen einräumen, braucht es ausreichend hochqualitative, nachhaltige Rohstoffe mit entsprechender Infrastruktur; sind optimierte, auch neue technische Enzyme, angepasste mikrobielle Stoffwechselprozesse, größere Raum-Zeit-Ausbeuten und effiziente Aufreinigung nötig. Die Liste des Forschungs- und Entwicklungsbedarfs ist damit noch lange nicht geschlossen.

Eines unter mehreren Konzepten, längst nicht das einzige, firmiert unter dem Begriff der Bioraffinerie. Diese biotechnologische Verbundchemie, wie sie jüngst ein Vertreter der Chemieindustrie nannte, habe das Zeug zu einer „kleinen Revolution“. Denn in der Fabrik der Zukunft lasse sich nicht nur hochwertige Feinchemie herstellen, sondern wegen gestiegener Erdölpreise auch Grundchemikalien.

Konzept hat auch eine industriepolitische Dimension

Analog zu ihrem petrochemischen Vorbild bezeichnet die Bioraffinerie ein komplexes System von Anlagen und Prozessen, in dem die (terrestrische wie marine) Biomasse möglichst effizient energetisch wie stofflich genutzt, zu verschiedenen Produktgruppen umgewandelt und zu industriellen Endprodukten verarbeitet wird. Die Bioraffinerie ist mehr als ein technologisches, zentral ausgerichtetes Konzept, sie  besitzt auch eine wirtschafts- und industriepolitische Dimension. In einer auf erneuerbaren Rohstoffen basierten Wirtschaft wäre sie ein integraler Bestandteil, der (chemische) Grund- und Veredelungsprodukte, Bioenergie (Biogas/Methan) und Biokraftstoffe liefert. Noch allerdings steckt die industrielle Umsetzung in den Anfängen.

Die Umsetzung wird Jahrzehnte dauern

So wie die Petrochemie einige Jahrzehnte zur technologischen Reife brauchte, so wird es viele Jahre dauern, bis die Umwandlungstechnologien für biogene Rohstoffe mit den Technologien für industrielle Zwischen- und Endprodukte zusammengeschaltet sind. Analog dem petrochemischen Vorbild soll die komplexe Biomasse in Hauptstoffgruppen aufgetrennt werden, aus denen industriell tragfähige Produktlinien und -stammbäume entwickelt werden. Die Idee: aus Grundstoffen komplexere Zwischenprodukte erzeugen, die wiederum zu einer Vielzahl von Folge- und Endprodukten transformiert werden.

Mit den verfügbaren Konversionstechnologien lassen sich bislang nur aus Erdöl zentrale Basischemikalien wie Synthesegas (CO/H2), Olefine, Acetylen und Aromaten in ausreichenden Mengen herstellen. Synthesegas kann als universeller Baustein aus allen kohlenstoffhaltigen Verbindungen hergestellt werden. Hier verfügt die Industrie auch über rohstoffübergreifende Technologien wie die Fischer-Tropsch-Synthese sowie Methanol-to-Olefins (MTO) und Methanol-to-Propylene (MTP®, Lurgi AG).
Bei nachwachsenden Rohstoffen bietet es sich grundsätzlich an, die Syntheseleistung der Natur zu nutzen.

Unterschiede schon bei erster Aufarbeitung

Lignin, das Holz dunkel macht, füllt in verholzenden Pflanzen die Räume zwischen den Zellmembranen aus und lässt sie zu Holz werden. Lignin macht bis zu einem Drittel in getrocknetem Pflanzenmaterial aus. © Thomas Max Müller/pixelio.de

Biomasse hat ein gänzlich anderes Verhältnis an Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Sauerstoff- und Stickstoff-Anteilen als Erdöl.

Rund 75 Prozent der Biomasse besteht aus Kohlehydraten (Cellulose, Polyosen, Stärke und Zucker), 20 Prozent aus Lignin, an dem sich die Forschung seit vielen Jahren schon die Zähne ausbeißt, sowie aus Fetten und Proteinen (fünf Prozent), ferner kommen besondere Inhaltsstoffe wie Vitamine, Farb-, Geschmacks- und Geruchsstoffe hinzu.

Nicht das Zerlegen, Trennen und ‚Cracken’, sondern mechanisches Pressen, Mahlen, Sichten, die biotechnologische Umwandlung mit Hilfe von Enzymen und Mikroorganismen und schonende chemische Verfahren stehen bei der ersten Aufarbeitung der Biomasse im Vordergrund.

Lange Liste des Entwicklungsbedarfs

Pflanzen müssen möglichst effizient fraktioniert werden. Unser Bild zeigt das Schema einer pflanzlichen Zellwand. © Wikipedia

Forschungs- und Entwicklungsbedarf auf dem Gebiet der stofflichen Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen besteht vor allem bei Aufschluss und Depolymerisation von Cellulose und Lignin, bei Um- und Abbau biogener Rohstoffe. Desgleichen müssten für die Transformation biogener Rohstoffe wasserstabile Katalysatoren entwickelt sowie Reaktion und Stofftrennung integriert werden.

Wenig ist bislang die Rede von der Verfügbarkeit und Logistik biogener Rohstoffe, die auch importiert werden müssten. Ein Problem, das selten angeschnitten wird: Biomasse benötigt viel Wasser und diese Ressource gilt in Fachkreisen als die knappste in Zukunft.

Vier Typen von Raffinerie

Je nach eingesetzten Rohstoffen werden gegenwärtig vier Typen  von Bioraffinerie entwickelt.
In der LCF (lignocellulose feedstock)-Raffinerie wird die mengenmäßig wichtigste Biomasse Lignocellulose eingesetzt: Holz, Stroh, gereifte Gräser, Schilf oder kommunale cellulosehaltige Abfälle.
In der Getreide-Bioraffinerie werden Stärkepflanzen vollständig (Stengel, Blattwerk und Frucht) genutzt.
Mit naturfeuchter Biomasse wie grünes Gras, Klee, Luzerne oder unreifes Getreide arbeitet die Grüne Bioraffinerie, von der einige Demo-Anlagen in Deutschland und Österreich hochgezogen werden.
In der Zwei-Plattform-Bioraffinerie werden alle pflanzlichen Kohlehydrate auf enzymatischem oder chemischem Weg verzuckert, danach biotechnologisch oder chemisch weiterverarbeitet oder/und die Biomasse beziehungsweise das abgetrennte Lignin zu niedrigen Kohlenwasserstoffen, Methan oder Kohlenmonoxid und Wasserstoff thermochemisch abgebaut (Syngas-Plattform). Aus diesem Synthesegas sollen analog der Kohlechemie chemische Grundstoffe (Milchsäure, 1,3 Propandiol, Furandicarbonsäure, 1,18-Oktadekandicarbonsäure, n-Butanol, Bernsteinsäure oder Sorbitol) oder höhere Kohlenwasserstoffe aufgebaut werden.

Forschungskonsortien treiben Entwicklung in Europa voran

Inzwischen wird nicht nur auf Konferenzen über die Bioraffinerie geredet, in Deutschland und in der EU werden erste meist forschungsbasierte Demonstrationsanlagen geplant und gebaut. In Leuna beispielsweise wird unter Federführung von Fraunhofer ein Bund-Länder-Verbundprojekt „Chemisch-biotechnologisches Prozesszentrum“ etabliert, eine Art Modellraffinerie mit sieben unterschiedlichen Prozesseinheiten. Weitere vorwiegend forschungsbasierte Bioraffinerie-Aktivitäten in Europa heißen Biocore, EuroBioRef (ein Großforschungsprojekt mit 28 Partnern aus 14 Ländern), Sustoil oder Bioref-Integ.

Deutschland koppelt Treibstoff- und Chemie-Produktion

In Deutschland wird vorrangig versucht, die chemische Produktion mit der Produktion von Biotreibstoffen der zweiten Generation zu verknüpfen. Der Gedanke liegt nahe, die Rohstoffe einer zukünftigen Grundchemikalienproduktion (200 Millionen Tonnen pro Jahr) aus dem zehn Mal größeren Kraftstoffmarkt zu rekrutieren.

Parallel zur Machbarkeit und Hochskalierung muss eine ökologische Bewertung laufen. Denn die integrierte Nutzung biogener Rohstoffe in Fabriken ist nicht allein deshalb nachhaltig, weil erneuerbare Rohstoffe verarbeitet werden. Hier müssen Stoffströme analysiert, Ökobilanzen entwickelt und erstellt werden.



Literatur/Quellen:

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G. Herbert Vogel: Rohstoffwandel. Herrn Prof. Johann Gaube zum 75 Geburtstag, in: Chemie Ingenieur Technik 2007, 79, No. 5, S. 515-520

Jan-Dirk Arndt, Stephan Freyer et. al.: Rohstoffwandel in der chemischen Industrie, in. Chemie Ingenieur Technik 2007, 79, No. 5., S. 521-528

Jörg Woidasky, et al.: Ressourcen- und Energieeffizienz, in: Chemie Ingenieur Technik, 2009, 81, No. 11, S. 1711-1719

T. Hirth, S. Rupp, W. Trösch: Bereitstellung von Energie und Rohstoffen für eine den biogenen Stoffkreisläufen nachempfundene, nachhaltige Stoffwirtschaft – Eine neue Herausforderung für die Bioverfahrenstechnik?, in: Chemie Ingenieur Technik 2009, 81, No. 11, (Doi:10.1002/cite.2009000086), S. 1697-1709.

German Catalysis Society/ProcessNet (Hg.): Katalyse eine Schlüsseltechnologie für nachhaltiges Wirtschaftswachstum. Roadmap der deutschen Katalyseforschung, März 2010. (www.gecats.com).

VCI (Hg.): Rohstoffbasis der chemischen Industrie: Daten und Fakten, Dezember 2009

VCI (Hg.): Rohstoffbasis der chemischen Industrie: Botschaften und Forderungen, Dezember 2009.

GdCh/Dechema/DGMK/VCI: Rohstoffbasis im Wandel, 11. Januar 2010.

B. Kamm, M. Kamm: Das Konzept der Bioraffinerie – Produktion von Plattformchemikalien und Finalprodukten, in: Chemie Ingenieur Technik 2007, 79, No. 5 (doi: 10.1002/cite.200700005), S. 592-603.

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/dossier/bioraffinerie-die-idee-naehert-sich-der-umsetzung