ELBE–NH – Effektivitätssteigerung von Lignin-Bioraffinerien durch Ergänzende Nutzung von Hydrolysaten

(Teil-)Projektleitung / Mitarbeit:

 

 

Alexander Beckendorff, M.Sc.

Stanislav Parsin, M.Sc.

Prof. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt

Fördergeber:Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Förderkennzeichen:BMBF 031B0091

Im Rahmen des ELBE-NH Projektes (Förderkennzeichen BMBF 031B0091) wird an der TUHH an innovativen Konzepten für Bioraffinerien geforscht, die eine effektivere Nutzung der Nebenprodukte und gleichzeitig eine Produktdiversifizierung ermöglichen. ELBE-NH baut auf den Ergebnissen der vorangegangenen Projekte auf und wird in der aktuellen Phase unter Beteiligung von mehreren Partnern bearbeitet (Website).

In den vorangegangenen Phasen wurde vor allem die Primärraffination zur Erzeugung von AS Lignin aus Lignocellulose-Biomasse konzipiert (Abbildung 1). Dieses AS Lignin kann beispielsweise als Additiv in Klebstoffen fossile Komponenten substituieren. Die Biomasse wird in einer eigens dafür entwickelter Anlage im Technikum der TUHH unter hohen Temperaturen und Drücken (Liquid-Hot-Water Hydrolysis) aufgeschlossen. Darauf aufbauend geht es bei ELBE-NH um die Steigerung der Effektivität und der Wertschöpfung durch sinnvolle Erweiterungen und Verwertung der Nebenprodukte in der nachfolgenden Raffinierung (Secondary refinery).

Abbildung 1: Fließbild einer möglichen Bioraffinerie für die Produktion von Lignin, Milchsäure, Propionsäure und Poly- und Oligosacchariden aus Lignocellulose.

Charakterisierung von C5- und C6 Oligomeren
Um den Erfolg der Verfahren beurteilen zu können, ist es zu Beginn des Projektes erforderlich eine stabile Analytik im Hinblick auf die Produkte zu etablieren. Dies impliziert sowohl die nötige Hardware und Software als auch geeignete analytische Methoden. Aus diesem Grund wurde im Rahmen des Projektes ELBE-NH eine spezielle Analytik zur Quantifizierung und Charakterisierung von Kohlenhydraten wie Fructanen und Pentosanen am IUE etabliert.

Die Quantifizierung erfolgt, nach einer sauren oder enzymatischen Hydrolyse der Hydrolysate, durch Hochleistungs-Flüssig-Chromatographie (HPLC). Die HPLC mit binärer Pumpe bietet einen schnellen und präzisen Gradientenfluss, und der Brechungsindex-Detektor (RID) macht eine präzise Detektion der Analyten möglich. Durch eine Kalibrierung mit internen und externen Standards und die anschließende Messung werden die Konzentrationen der im Analyten enthaltenen Saccharide bestimmt.

Die Kettenlängen der zu untersuchenden Oligosaccharide werden durch Größenausschluss-chromatographie (SEC) bestimmt. Die SEC ist analog zur HPLC aufgebaut (Pumpe, Sampler, RID). Durch die Verwendung von drei hintereinander geschalteten Trennsäulen werden Saccharide im Analyten nach Größenverteilung getrennt und die Größenverteilung wird qualitativ bestimmt.

Gewinnung von Oligomeren aus Silphium perfoliatum
Am IUE wird dabei die Abtrennung und Aufreinigung von Pentosanen (C5-Oligomeren) aus Mehrstoffgemischen solubilisierter Hemicellulose, sowie die Fructangewinnung (C6-Oligomere) aus Silphium perfoliatum forciert (Abbildung 1). Diese Fraktionen sollen aus Hydrolysat-Seitenströmen eines Prozesses zur primären Erzeugung von Lignin aus Lignocellulose (Stroh, Holz, Silphium perfoliatum, etc.) gewonnen werden.

Hierfür werden geeignete Konzepte entwickelt und die effektivsten verfahrenstechnischen Operationen (Extraktion, Flockung, Fällung, Filtration, etc.) im Labormaßstab selektiert. Für die finalen Aufbereitungsschritte sind chromatographische Anwendungen wie SMB (Simulated Moving Bed) vorgesehen, um möglichst hohe Produktreinheiten zu erreichen.

Abbildung 1 zeigt dabei beispielhaft eine mögliche Umsetzung des Bioraffinerie-Konzeptes mit möglichst vollständiger Verwertung der Einsatzstoffe, hoher Wertschöpfung und geringer Abfallproduktion. Die innerhalb des Prozesses entstehenden Abfallströme werden zusätzlich in Biogasanlagen verwertet (nicht gezeigt).

Techno-ökonomische Bewertung des Konzeptes
Die im Labormaßstab ermittelten Parameter müssen weitergehend auf die im Projekt geforderten Zielgrößen skaliert werden. Mithilfe Software-basierter Lösungen wie Aspen Plus und OpenLCA werden die Prozesse bilanziert und simuliert, um die ökonomischen und ökologischen Auswirkungen zu quantifizieren. In der fortgeschrittenen Projektphase erfolgt dann eine techno-ökonomische und ökologische Bewertung des Gesamtprojektes auf der Grundlage der simulierten Daten und der hochskalierten Modelle.