Bioraffinerie

Eine Bioraffinerie ist eine Raffinerie, in der aus Biomasse unter möglichst vollständiger Verwertung aller Rohstoffkomponenten verschiedene Zwischen- und Endprodukte (z. B. Chemikalien, Werkstoffe, Bioenergie) nachhaltig erzeugt werden. Es können als Nebenprodukte auch Lebens- und Futtermittel entstehen. Wichtig für eine Bioraffinerie sind ein zugrunde liegendes ganzheitliches Konzept und die Integration verschiedener Verfahren und Technologien.

Die häufigste Verbindung in Biomasse ist Glucose, die als Monomer, vor allem aber auch als Polymer in Form von Cellulose und Stärke vorkommt.

Bereits heute werden Pflanzenöle, die vor allem aus Triacylglycerinen bestehen, intensiv genutzt. (Die Reste R stehen für die Kohlenwasserstoffketten meist verschiedener Fettsäuren.)

Das Prinzip der Bioraffinerie weist bis auf die Rohstoffe viele Ähnlichkeiten mit dem der Erdölraffinerie auf, in der der komplex zusammengesetzte Rohstoff Erdöl in einzelne Fraktionen oder Komponenten getrennt wird. Teilweise werden diese durch chemische Verfahren in andere, besser absetzbare Verbindungen umgewandelt.

Ein wichtiges Ziel des Konzepts „Bioraffinerie“ ist es, Erdöl als wichtigen Rohstoff der chemischen Industrie langfristig zu ersetzen und so zu einer biobasierten Industrie hin zu kommen. Das Energieministerium der Vereinigten Staaten bezeichnete Industrielle Bioraffinerien als vielversprechendsten Weg zu diesem Ziel.

Das Konzept der Bioraffinerie mit einer ganzheitlichen und hochwertigen Nutzung der Biomasse befindet sich derzeit noch in der Entwicklung. In Ansätzen ist dieses Konzept aber bereits umgesetzt, z. B. bei der Herstellung von Zucker, Bioethanol und Biodiesel, wo versucht wird, auch die Neben- bzw. Koppelprodukte hochwertig zu nutzen.

Rohstoff Biomasse

→ Hauptartikel: „Zusammensetzung von Biomasse“ im Artikel Biomasse

Das Konzept einer Bioraffinerie hängt wesentlich vom jeweils verfügbaren Rohstoff ab. Diskutiert werden vor allem Konzepte, die Holz, Stärkepflanzen und andere frische oder silierte Pflanzen als Rohstoffbasis vorsehen.

Biomasse ist sehr komplex zusammengesetzt aus zahlreichen verschiedenen organischen Verbindungen in sehr unterschiedlichen Anteilen. Einen großen Anteil an der Masse machen Verbindungen aus, die zu den Fetten, Kohlenhydraten oder Proteinen (Eiweißen) gehören. Daneben finden sich zahlreiche weitere Verbindungen, die aber meist in geringeren Anteilen vorkommen, wie z. B. die Sekundärmetaboliten (bzw. Sekundäre Pflanzenstoffe).

Je nach Biomasse, schwanken diese Anteile. Holz beispielsweise hat eine deutlich andere Zusammensetzung, verglichen mit Stärkepflanzen (z. B. Weizen, Mais), Ölpflanzen (Raps, Gras, Soja) oder Pflanzenabfällen.

Grundprinzip

In einer Bioraffinerie wird versucht, bestimmte hochwertige Naturbausteine, die Präkursoren aus der Biomasse zu isolieren. Dabei wird die Synthese-Vorleistung der Natur genutzt, um entweder aufwendige, künstliche Herstellungsprozesse zu ersetzen, oder um komplexe, nicht künstlich herstellbare Verbindungen zu gewinnen. Diese werden weiter zu Plattformchemikalien verarbeitet, welche als Synthesebausteine für eine Vielfalt höherwertiger Verbindungen dienen. In mehreren weiteren Stufen können so nutzbare Endprodukte hergestellt werden.

Aus der zurückbleibenden, nicht nutzbaren Biomasse können wiederum z. B. Nahrungsmittel, Futtermittel, oder weniger hochwertige Chemikalien gewonnen werden. Nachdem diese stofflich nutzbaren Anteile aus der Biomasse gewonnen wurden, kann der verbleibende Anteil noch energetisch genutzt werden. Es können z. B. Strom und Wärme für den Anlagenbetrieb oder zum Verkauf, oder auch Biokraftstoffe bzw. synthetische Kraftstoffe (BtL, Methanol, Biomethan etc.) erzeugt werden.

Neben der Gewinnung von Verbindungen, die in der Biomasse vorhanden sind, ist die Erzeugung neuer Verbindungen aus dem Rohstoff ein weiteres Betätigungsfeld innerhalb einer Bioraffinerie. Hier können chemische Verfahren, wie die bereits genannte Erzeugung von synthetischen Kraftstoffen zum Einsatz kommen, aber insbesondere auch biotechnologische Ansätze zur Herstellung höherwertiger Verbindungen.

Entwicklungsstufen

Bioraffinerien werden je nach Vielfältigkeit der Rohstoffe, Prozesse und Hauptprodukte in drei verschiedene Typen unterteilt:

Raffinerietyp	Vielfältigkeit Rohstoffe	Vielfältigkeit Prozesse	Vielfältigkeit Produkte	Beispiel
Phase-I-Bioraffinerie	gering	gering	gering	Aus Rapsöl wird durch Umesterung Biodiesel hergestellt
Phase-II-Bioraffinerie	gering	hoch	hoch	Aus Getreide werden durch verschiedene Prozesse verschiedene Stärkeprodukte hergestellt
Phase-III-Bioraffinerie	hoch	hoch	hoch	Aus lignocellulosehaltigen Rohstoffen werden durch verschiedene Prozesse verschiedene Plattformchemikalien hergestellt

Anders als Phase-I- und Phase-II-Bioraffinerien, sind Phase-III-Bioraffinerien sind bislang noch nicht kommerziell umgesetzt. Die Einführung wird in Europa ab 2020 erwartet.

Die vier gängigsten, diskutierten Anlagenkonzepte dafür sind nach dem jeweiligen Rohstoff benannt:

Phase-III-Raffinerien

Lignocellulose-Bioraffinerie

Eine Lignocellulose-Bioraffinerie verwendet Rohstoffe, die Lignocellulose – eine Struktur, die aus Lignin, Cellulose und Hemicellulose besteht – enthalten. Dazu zählt Holz, aber auch Stroh und Gras, sowie Abfälle aus der Papierindustrie, wie z. B. die in großen Mengen anfallende ligninreiche Schwarzlauge, können eingesetzt werden.

Lignin besteht vor allem aus Derivaten der aromatischen Verbindung Phenol, die für die chemische Industrie nützlich sein könnte.

Cellulose ist ein Polysaccharid (Vielfachzucker) aus dem Monomer Glucose (eine Hexose). Diese kann zu verschiedenen Grundchemikalien, wie z. B. Ethanol und Ethen als Ausgangsprodukt zur Herstellung von Polyethylen (PE) und Polyvinylchlorid (PVC) oder zu Hydroxymethylfurfural als Ausgangsprodukt zur Herstellung von Nylon, weiterverarbeitet werden. Daneben ist Glucose ein Substrat für biotechnologische Herstellungsprozesse durch Fermentation.

Hemicellulose ist ebenfalls ein Polysaccharid, allerdings aus verschiedenen Pentosen als Monomer. Daraus können Furfural-Derivate, Nylon und andere Produkte gewonnen werden.

Die Lignocellulose-Bioraffinerie gilt als aussichtsreichste Bioraffinerie. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass sie nicht in Konkurrenz mit Nahrungsmittelproduktion steht, da nur Rohstoffe benutzt werden, die sich nicht als Nahrungsmittel eignen.

Hauptbestandteile der Stärke – Amylopektin und Amylose

Ausschnitt aus der Polymerstruktur von Amylopektin

Ausschnitt aus der Polymerstruktur von Amylose

Ganzpflanzen-Bioraffinerie

→ Hauptartikel: Stärke als nachwachsender Rohstoff und Zucker als nachwachsender Rohstoff

Eine Ganzpflanzen-Bioraffinerie verwendet die vollständige Nutzpflanze, wie z. B. Mais, Weizen, Roggen, Triticale etc. Die Pflanzen bestehen im Wesentlichen aus dem Korn und dem lignocellulosereichen Stroh, die in der Regel bereits bei der Ernte mit einem Mähdrescher getrennt werden.

Das Stroh kann in einer Lignocellulose-Bioraffinerie weiterverarbeitet werden oder durch Pyrolyse in Synthesegas (Syngas) umgewandelt werden. Dieses bildet die Basis für synthetische Kraftstoffe wie Biomass-to-Liquid (BtL) oder Methanol.

Das Korn besteht vor allem aus dem Glucose-Polymer Stärke, die vielfältig weiterverarbeitet werden kann. Sie kann z. B. direkt als Rohstoff der Lebensmittel- oder chemischen Industrie verwendet werden. Auch die Herstellung von bio-basierten Kunststoffen, wie z. B. thermoplastischer Stärke und die Verwendung als Fermentationssubstrat sind möglich.

Grüne Bioraffinerie

Die Grüne Bioraffinerie verwendet Pflanzenmaterial, wie z. B. Gras, Klee, Luzerne oder auch unreifes (grünes) Getreide aus der Landwirtschaft. Ein wesentlicher Unterschied zu den anderen beiden Konzepten ist, dass die frische Pflanze verwendet wird, deren Inhaltsstoffe sich von Holz oder abgereiften Pflanzen deutlich unterscheidet. Der erste Aufbereitungsschritt ist das Abpressen des Pflanzensafts. Der Presskuchen enthält vor allem Fasern (Cellulose), wie auch Stärke, Farbstoffe und Pigmente. Im Presssaft finden sich Proteine, Aminosäuren, organische Säuren etc. Daraus könnten z. B. Produkte wie Milchsäure, Aminosäuren, Ethanol etc. isoliert werden. Der Presskuchen kann als Futtermittel, zur Erzeugung von Syngas und Biogas oder auch zur Gewinnung von chemischen Verbindungen verwendet werden.

Beispiele

Grüne-Bioraffinerie-Demonstrationsanlage in Utzenaich

Milchsäure kann ein wichtiges Produkt von Grünen Bioraffinerien sein, z. B. zur Verwendung als Plattformchemikalie.

In Österreich wurde im Mai 2009 eine Grüne Bioraffinerie als Demonstrationsanlage eröffnet. Es wird Grassilage verwendet, aus der Aminosäuren und Milchsäure gewonnen werden sollen. Feste Anteile werden in einer Biogasanlage energetisch verwertet. Es können 4 t Grassilage pro Stunde bzw. 100 l Presssaft pro Stunde verarbeitet werden. Pro Tonne Silage-Trockensubstanz können 150 bis 210 kg Milchsäure und 80 bis 120 kg Rohprotein (Aminosäuren) gewonnen werden. Ziel ist das Gewinnen von Erkenntnissen, welche die Konzipierung industrieller Anlagen unterstützen.

Lignocellulose-Bioraffinerie-Pilotanlage in Leuna

In einem von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. koordinierten Projekt wurden seit 2007 Verfahrenskonzepte für Lignocellulose-Bioraffinerien entwickelt. In einem Nachfolgeprojekt soll in Leuna (Sachsen-Anhalt) eine erste Versuchsanlage aufgebaut werden, die täglich 1,25 t Holz verarbeitet. Langfristig werden Anlagen mit Verarbeitungskapazitäten von 400.000 t/a für möglich gehalten.

Biowert-Anlage Brensbach

Die Biowert-Anlage arbeite mit einem an die Grüne Bioraffinerie angelehnten Prinzip. Als Rohstoff dient Gras bzw. Grassilage. Diese wird gepresst und der flüssige Anteil in einer Biogasanlage, die auch Prozessenergie bzw. Prozesswärme liefert, vergoren. Der Presskuchen enthält einen hohen Faseranteil, aus dem Dämmstoffe oder faserige Zusätze für Kunststoff (Naturfaserverstärkter Kunststoff) erzeugt werden.

Verfahren und Produkte

In Bioreaktoren können aus der Biomasse andere Verbindungen erzeugt werden, wie z. B. auch sehr hochwertige Produkte für die Pharmaindustrie: Anlage zur Herstellung von Vakzinen

In der Bioraffinerie ist eine Vielzahl von Verfahren notwendig, um den Rohstoff aufzubereiten, bestimmte Fraktionen zu isolieren und mit chemischen, chemisch-physikalischen und biotechnologischen Verfahren weitere Verbindungen abzuleiten: Damit die Bioraffinerie möglichst nachhaltig arbeitet, sollten Methoden der grünen Chemie genutzt werden und deren Grundsätze eingehalten werden.

• Aufbereitung z. B. durch:
  • Pressen
  • Zerkleinerung durch Mahlen, Häckseln etc.
• Trennen und Isolieren durch (siehe auch Trennverfahren (Verfahrenstechnik)):
  • Sieben und Filtration
  • Extraktion
  • Chromatographie
  • etc.

Mit diesen Verfahren lassen sich bereits in der Biomasse vorhandene Stoffe und Verbindungen gewinnen. Durch chemische Veränderung lässt sich das Produktspektrum aber noch deutlich erweitern:

• Verarbeitung mit chemischen und chemisch-physikalischen Verfahren:
  • Pyrolyse zur Herstellung von Synthesegas
  • Verwendung von Synthesegas zur Synthese neuer Verbindungen, z. B. BtL und anderen Kohlenwasserstoffen durch Fischer-Tropsch-Synthese
  • Verbrennung zur Erzeugung von Strom und Wärme
• Chemische Veränderung mit biotechnologischen Verfahren (siehe auch Biotechnologie und Weiße Biotechnologie):
  • Verwendung des Rohstoffs bzw. von Anteilen für Fermentationen, z. B. zur Herstellung von Grund- und Feinchemikalien, Ethanol, Biogas, Rohstoffen zur Herstellung von bio-basierten Kunststoffen, Vitaminen, Aminosäuren etc.
  • Biokatalyse mit isolierten Enzymen zur Modifikation bestimmter Verbindungen, z. B. mit Amylasen zur hydrolytischen Spaltung von Stärke zu Glucose

Gesundheitliche Bedeutung

In sämtlichen raffinierten Pflanzenölen sind 3-MCPD-Fettsäureester zu finden, wobei die Gehalte sich zum Teil stark unterscheiden. 3-MCPD wurde 2011 von der International Agency for Research on Cancer (IARC) als „mögliches Humankarzinogen“ eingestuft.

Perspektive

Nach einer Marktstudie von Festel betrug 2001 der Anteil biotechnologisch hergestellter Chemikalien mit 30 Milliarden US-$ rund 2,5 % des Gesamtmarktes. Bis 2010 wurde ein Anstieg auf ca. 20 % (310 Milliarden US-$ bei einem Gesamtumsatz von 1600 Milliarden US-$) prognostiziert. Im Jahr 2007 betrug der Anteil 48 Milliarden US-$, was 3,5 % entsprach. Der Anteil der biotechnologisch produzierten Arzneistoffe betrug 2010 17 %.

Die Entwicklung der Bioraffinerie wurde in den USA in den vergangenen Jahren intensiv vorangetrieben. In die Förderung von Biomasse wurden jedes Jahr rund 360 Mio. US-Dollar investiert (2003: ca. 420 Mio. US-Dollar, 2005: ca. 310 Mio. US-Dollar). Dort erwarten Experten, dass bis 2020 ein Viertel der derzeit fossil-basierten organischen Grundstoffe und 10 % der Öle und Kraftstoffe mittels Bioraffinerie-Technologien produziert werden.

In der EU wurde in die Forschung zur Nutzung von Biomasse im Zuge des 6. Forschungsrahmenprogramms von Mitte 2002 bis 2006 insgesamt 74 Mio. Euro investiert. Im 7. Forschungsrahmenprogramm (2007–2013) wurde der jährliche Gesamtetat um 40 % erhöht, so dass auch bei der Forschung zur Biomassenutzung mit einer Erhöhung zu rechnen ist.

Literatur

• K. Arnold, D. Maga, U.Fritsche u. a.: BioCouple – Kopplung der stofflich/energetischen Nutzung von Biomasse – Analyse und Bewertung der Konzepte und der Einbindung in bestehende Bereitstellungs- und Nutzungsszenarien, Endbericht von Wuppertal-Institut, Fraunhofer UMSICHT und Öko-Institut zum BMU-geförderten Vorhaben FKZ-Nr. 03 KB 006 A-C, Wuppertal/Oberhausen/Darmstadt pdf-Datei 6,5 MB.
• G. Festel et al.: Der Einfluss der Biotechnologie auf Produktionsverfahren in der Chemieindustrie, Chemie Ingenieur Technik 2004, 76, No. 3, S. 307–312
• Biobased Industrial Products: Research and Commercialization Priorities (2000) Commission on Life Sciences (CLS). Der Text diente als Fachvorlage zur „Präsidentenorder“ Nr.: 13101 zur Auflage eines gleichnamigen FuE-Programms in den USA bis zum Jahre 2010.
• B. Kamm, M. Kamm: Biorefinery-Systems, Chemical and Biochemical Engineering Quarterly 2004, 18 (1), S. 1–6, pdf-Datei.
• B. Kamm, P. Gruber, M. Kamm: Biorefineries – Industrial Processes and Products, Wiley-VCH, 2006, ISBN 978-3-527-31027-2, umfassendes, zweibändiges Werk zum status quo und zur zukünftigen Entwicklung des Konzepts Bioraffinerie.
• A. Demirbas: Biorefineries. For Biomass Upgrading Facilities. Springer-Verlag, London 2010. ISBN 978-1-84882-720-2.

Weblinks

• International Energy Agency (IEA) Bioenergy Task 42: Bioraffinerien.
• Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR), Internetpräsenz der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, öffentlich finanzierte Einrichtung zur Forschung, Entwicklung, Markteinführung, Öffentlichkeitsarbeit etc. im Bereich Nachwachsende Rohstoffe, umfassende Informationen als pdf oder Druckversionen frei verfügbar
• MONITORING Industrielle stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe, Monitoring des Büros für Technikfolgenabschätzung des Deutschen Bundestags zur „Industriellen stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe“
• BIO-raffiniert – Nützliches rund um das Thema Bioraffinerie – Forum von Forschungseinrichtungen, Interessensverbänden und anderen, das den Themen Bioraffinerie und der weißen Biotechnologie zu mehr Beachtung verhelfen will
• biorefinica – tagungs- und symposiennetzwerk – Tagungs- und Symposiennetzwerk biobasierte industrielle Produkte, Prozesse und Bioraffinerien, inklusive der Vorträge verschiedener Tagungen
• FABRIK der Zukunft, österreichisches, öffentlich gefördertes Projekt zur Unterstützung der Entwicklung von nachhaltigen Technologien, wie z. B. Bioraffinerien; aktuelle und Hintergrundinfos zu Bioraffinerien
• Bioraffinerien ersetzen die Petrochemie, Bericht vom 6. November 2009 auf www.pflanzenforschung.de, Informationsportal des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF)
• Chemikalien aus der Bioraffinerie, umfassender Bericht in der Neuen Zürcher Zeitung (NZZ), vom 21. November 2007, online verfügbar
• Map of 224 European biorefineries published by BIC and nova-Institute Bio-base News, 27 November 2017
• USA, Ethanol Biorefinery Locations, abgerufen am 26. Oktober 2020.
• Bioethanol Kapazitäten in Europa aus Weizen und Zuckerrüben, abgerufen am 26. Oktober 2020.
• UPM Biofore, Neue Bioraffinerie in Deutschland geplant, abgerufen am 26. Oktober 2020.

Einzelnachweise

1. Arno Behr & Thomas Seidensticker: Einführung in die Chemie nachwachsender Rohstoffe – Vorkommen, Konversion, Verwendung Springer Spektrum, 2018, ISBN 978-3-662-55254-4, S. 340–351.
2. Birgit Kamm: Bioraffinerie – Produktion von Plattformchemikalien und Synthesegas aus Biomasse. In: Angewandte Chemie, 139, 2007, S. 5146–5149.
3. Birgit Kamm: Biomasse-Wirtschaft und Bioraffinerie-Systeme. LIFIS ONLINE, 2008. / PDF; abgerufen am 10. September 2019.
4. Kamm, B. und Kamm. M.: Biorefinery-Systems (PDF; 200 kB), Chemical and Biochemical Engineering Quarterly 2004, 18 (1), S. 1–6, englisch, abgerufen am 28. Februar 2010.
5. Oliver Türk: Stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe. Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, ISBN 978-3-8348-1763-1, S. 24–31.
6. J. Michels, K. Wagemann: Lignin – Schlüsselkomponente in der Lignocellulose Bioraffinerie, Gülzower Fachgespräche, Band 31: Stoffliche Nutzung von Lignin, S. 170, Konferenz am 10. März 2009, veröffentlicht am 26. Oktober 2009, als pdf.
7. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V: Bioraffinerie: Rohstoffe aus Holz für die Chemische Industrie (Memento vom 11. Februar 2013 im Webarchiv archive.today), Pressemitteilung vom 5. Juli 2007 zu einem dreijährigen Förderprojekt, abgerufen am 1. März 2010.
8. Brandenburgische Umwelt Berichte (BUB): Grüne BioRaffinerie Brandenburg, B. Kamm et al., BUB 8 (2000) 260-269, als pdf.
9. Weltweit erste Grüne Bioraffinerie für Grassilage eröffnet. In: fabrikderzukunft.at. abgerufen am 1. März 2010.
10. Grüne Bioraffinerie – Aufbereitung und Verwertung der Grasfaserfraktion. In: nachhaltigwirtschaften.at. Berichte aus Energie- und Umweltforschung (2006), abgerufen am 1. März 2010 (PDF; 1,1 MB).
11. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V.: Neue Bioraffinerie könnte sämtliche Holzbestandteile veredeln (Memento vom 11. Februar 2013 im Webarchiv archive.today), Pressemitteilung vom 4. November 2009, abgerufen am 1. März 2010.
12. BIOWERT GmbH: Internetpräsenz der BIOWERT GmbH, abgerufen am 2. März 2010.
13. James H. Clark, Rafael Luque & Avtar S. Matharu: Green Chemistry, Biofuels and Biorefinery. In: Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. Band 3, 2012, S. 183–207, doi:10.1146/annurev-chembioeng-062011-081014. 
14. 3-MCPD-Ester in raffinierten Speisefetten und Speiseölen – ein neu erkanntes, weltweites Problem. Chemisches und Veterinäruntersuchungsamt, Stuttgart, 18. Dezember 2007.
15. Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR): Fragen und Antworten zur Kontamination von Lebensmitteln mit 3-MCPD-, 2-MCPD- und Glycidyl-Fettsäureestern. 7. Juli 2016, abgerufen am 8. Juli 2016.
16. Gunter Festel et al.: The influence of the biotechnology on production procedures in the chemical industry in: chemistry engineer technology 2004, 76, No. 3, S. 307–312.
17. ec.europa.eu: (Memento vom 22. Februar 2014 im Internet Archive) (PDF; 3,3 MB), Juli 2011, Zugriff am 25. Dezember 2011.
18. Biotechnologie-Statistik 2010.
19. EU-Forschungsrahmenprogramm: (Memento des Originals vom 1. März 2010 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.forschungsrahmenprogramm.de, Seite des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), abgerufen am 2. März 2010.

Normdaten (Sachbegriff): GND: 7742513-3 (lobid, OGND)