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2013|14 Jahresbericht Fraunhofer IGB

98 Nachwachsende Rohstoffe nachhaltig nutzen Steigende Rohstoffpreise und knapper werdende Erdölres- sourcen verstärken das Interesse an nachwachsenden Rohstof- fen und an Strategien zur nachhaltigen Gewinnung spezieller Materialien, Feinchemikalien oder chemischer Vorprodukte. Angelehnt an die petrochemische Industrie sollen in Zukunft Bioraffinerien solche biobasierten Materialien zur Verfügung stellen. Als Chemierohstoff, der nachhaltig und ohne Konkur- renz zur Nahrungsmittelproduktion zur Verfügung steht, bie- ten sich heimische Laubhölzer an. Für die Umwandlung von Holz oder anderen Lignozellulosen in Plattformchemikalien für die Chemie der Zukunft muss das Holz zunächst aufgeschlos- sen und in seine chemischen Grundbestandteile aufgetrennt werden. Organosolv-Lignin für vielfältige Anwendungen In der zweiten Phase des Verbundvorhabens zur Lignozellu- lose-Bioraffinerie wurde das Konzept einer holzbasierten Bio- raffinerie am Fraunhofer CBP in Leuna im Pilotmaßstab erfolg- reich 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 bei hoher Temperatur in seine Grundbestandteile Zellulose, Hemizellulosen und Lignin zu fraktionieren. Zellulose und Hemizellulosen können dann mithilfe von Enzymen zu Zuckern umgewandelt werden. Lig- nin fällt im Gegensatz zu anderen Aufschlussverfahren in sehr reiner Form und ohne Schwefelverunreinigungen an. Dies er- möglicht vielfältige stoffliche Anwendungen. Skalierung des Fraktionierungsprozesses in Pilotanlage Im Fokus der Arbeiten am Fraunhofer CBP stand die Skalie- rung des Fraktionierungsprozesses in den Pilotmaßstab. In ge- meinsamen Vorarbeiten mit den Projektpartnern wurden die grundlegenden Fragestellungen für die Festlegung des Verfah- rens bearbeitet. Auf Basis der Ergebnisse erfolgten die Ausle- gung und Detailplanung der Anlage. Die Pilotanlage bildet eine Vielzahl einzelner Prozessschrit- te zur Herstellung von konzentrierten Zuckerlösungen und Ligninpulver aus Holzhackschnitzeln ab. Bis zu 70 kg Holz können täglich verarbeitet werden. Die Anlage wurde so aus- gelegt, dass die Stoff- und Energiekreisläufe geschlossen wer- den. Auf dem vereinfachten Anlagenschema in Abb. 2 ist er- sichtlich, dass das Holz zunächst in einem 400 Liter großen Reaktor bei bis zu 200 °C aufgeschlossen wird, wobei sich Lignin und Hemizellulosen im Ethanol-Wasser-Gemisch lösen. Die zusätzlichen Tanks und Wärmetauscher der »Tankfarm« ermöglichen dabei eine Verdrängungswäsche des Aufschluss- gutes bei Reaktionsbedingungen und die Rückgewinnung von Energie beim Aufschlussprozess. Aus der mit Lignin und Hemi- zellulosen angereicherten Aufschlusslösung wird Lignin durch Zugabe von Wasser oder Destillation des Ethanols ausgefällt, abfiltriert und nach einer Wäsche getrocknet. Aus dem Fil­ trat wird das eingesetzte Ethanol vollständig zurückgewonnen und es verbleiben die Hemizellulose-Zucker. 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 Faser- stoffkonzentration verzuckert. Nach einem Filtrationsschritt er- hält man eine Glukoselösung, die zur Stabilisierung zu einem Sirup aufkonzentriert wird. CHEMIE LIGNOZELLULOSE-BIORAFFINERIE – ERFOLG- REICHE UMSETZUNG IN DEN PILOTMASSSTAB Dr. rer. nat. Moritz Leschinsky, Dipl.-Chem. (FH) Gerd Unkelbach 1 2 Aufschluss Ligninfällung/ Ethanolrückgewinnung Ligninwäsche Kocher 400 l 200°C Tankfarm Faserwäsche und -zerkleinerung Enzymatische Hydrolyse Konzentration Trocknung Entwässerung Filtration Ethanol / ​Wasser Ethanol / ​ Wasser Aufschluss­ lösung Holzchips Faserfraktion Xylose Konzentrierte Glukoselösung Hydrolyselignin Organosolv- LigninLignin Hydrolyse- rückstand Glukose­ lösung

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