Grüne Chemie - Bioraffineriesysteme und Anlagen
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Grüne Chemie - Bioraffineriesysteme und Anlagen
IfaS 8. BiomasseBiomasse-Tagung RheinlandRheinland-Pfalz 06./07. November 2008 Umwelt-Campus Birkenfeld Grüne Chemie – Bioraffineriesysteme und Anlagen Präsentiert Sebastian Leiß Prof. Dr. Birgit Kamm Wissenschaftliche Direktorin Forschungsinstitut biopos e.V. und Brandenburgische Technische Universität Cottbus Teltow-Seehof e-mail: [email protected], [email protected] Inhalt 1 1.1 1.2 2 2.1 2.2 2.3 3 3.1 3.2 4 5 Einleitung U.S.-Nationale Ziele Europäische Ziele Was ist eine Bioraffinerie? Internationale Bioraffinerie-Systeme Plattformchemikalien und Produkte Technische Ziele und Meilensteine Bioraffinerie Anlagen und Produkte (Beispiele) Grüne Bioraffinerie Pilotanlage Mengenbilanzen Fermentation von Lysinlactat als Bsp. für ein Grüne Bioraffinerie-Produkt Ausblick 1.0 Einleitung Der Erhalt und die Bewirtschaftung der Ressourcen ist ein wesentlicher Politikbereich einer umweltverträglichen, nachhaltigen Entwicklung im 21. Jahrhundert. Die Verfügbarkeit von fossilen Ressourcen (Erdöl, Erdgas, Kohle, Mineralien) ist langfristig fragwürdig. Zudem wird aufgrund des steigenden Preises fossiler Ressourcen, deren Möglichkeiten der Nutzung eingeschränkt. Die partielle oder vollständige Umstellung ganzer Volkswirtschaften auf erneuerbare Rohstoffe erfordert neue Ansätze in Forschung, Entwicklung und Produktion. Ein wertstofflicher Ansatz sind Bioraffinerie-Systeme und Biobasierte Produkte. Einleitung 1.1 Einleitung Nationale Ziele bei Biomasse Technologien in den USA Biomass Technical Advisory Committee (U.S.A.)* Jahr 2002 2010 2020 2030 Bioenergie aus Biomasse Biomasse Anteil bei Elektrizität & Wärme 2.8 % (2.7 quads) 4 % (3.2 quads) 5 % (4.0 quads) 5 % (5.0 quads) Biokraftstoffe Biomasse Anteil bei Kraftstoffen 0.5 % (0.15 quads) 4 % (1.3 quads) 10 % (4.0 quads) 20 % (9.5 quads) Biobasierte Produkte Anteil an biobasierten Chemikalien und Materialien 5 % 12 % 18 % 25 % quads: 1 quad = 1 quadrillion BTU = 1 german billiarde BTU (BTU = British Thermal Unit ; 1 BTU = 0,252 kcal, 1KW = 3413 BTU, 1kcal = 4,186 kJ) *A group from industry, academia, non-profits, the agriculture and forestry sectors: (among other things) Dow Chemical; E.I. du Pont; Cargill Dow; Cargill, Genencor Inc.; National Corn Growers Assoc.; Natural Resources DefenseCouncil (Oct. 2002) 1.2 Einleitung Ziele der EU und Deutschland beim Einsatz von erneuerbaren Rohstoffen und Energien* Jahr 2002 2005 2010 2020 – 2050 Bioenergie Anteil von Windkraft, Fotovoltaik, Biomasse und Geothermie bei Elektrizität & Wärme 7,5 % – 12,5 % 26 % (2030) 58 % (2050) Biokraftstoffe Biomasse Anteil bei Kraftstoffen (Otto- und Dieselkraftstoffe) 1,4 % 2,8 % 5,75 % 10 % (2020) Biobasierte Produkte Anteil an biobasierten Chemikalien 7 – 9 % 10,4 % – – Im Bereich ‚Biobasierte Produkte‘ Dritte Säule gibt es in der Europäischen Union derzeit noch keine Richtlinie. Nach den Direktiven für Bioenergie und Biokraftstoffe steht eine solche Richtlinie politisch auf der Tagesordnung. In Deutschland: Deutscher Bundestag, Drucksache 15/4943, 23.02.2005/16/5529, 30.05.2007/16/5757, 25.06.2008 * Zusammenfassung aus: Biorefineries- Industrial Processes and Products, Ullmann‘s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 7th ed., Wiley-VCH, 2007 1.2 Bedeutung der chemischen und stoffwandelnden Industrie in Deutschland Wichtigster Chemieproduzent und Chemiestandort in Europa Gesamtumsatz: 142,1 Mrd. EURO (2004) Jährliches Durchschnittswachstum: 3.7 % (bez. 1994–2004) 445.000 Mitarbeiter in Deutschland Rohstoffeinsatz in der Deutschen Chemischen Industrie 10,4 % der Chemierohstoffe sind Nachwachsende Rohstoffe (NWR) Fossile Rohstoffe-Chemie 17 Mio t NWR-Chemie: 2 Mio t NWR-Chemienahe Industrie: 0,7 Mio t Quelle: VCI, 2006 Einleitung 1.2 Einleitung Lösungsansätze Bioraffinerien Biogene Rohmaterialien Biokraftstoffe Produkt- und Energiemarkt Bioenergie/Strom Für die Stoffwirtschaft (Materialien und Produkte) gibt es nur die Alternative der Substitution fossiler Rohstoffe durch biologische Rohstoffe. Biobasierte Wirtschaft Biobasierte Produkte Umsetzung eines Drei-Säulen-Konzeptes aus: BioEnergie BioKraftstoffe Biobasierte Produkte unter dem Dach einer Biobasierten Wirtschaft 2.0 Was ist eine Bioraffinerie? Was ist eine Bioraffinerie? Eine Bioraffinerie ist ein komplexes und integriertes System von Prozessen und Anlagen in welchem Biomasse in eine Vielzahl von Produkten umgewandelt wird. Bioraffinerie ist dem Konzept einer petrochemischen Raffinerie angelehnt. Bioraffinerien vereinen die Technologien zwischen den biogenen Rohstoffen und industriellen Zwischen- und Finalprodukten. Biorefining oder Bioraffination ist letztendlich nicht anderes als die Übertragung von Effizienz und Logik der fossil-basierten Chemischen und Stoffwandelnden Industrie sowie Produktion von Energie auf die Biomasse-Industrie.* * Kamm, B.; Gruber, P. R.; Kamm, M.; Biorefineries- Industrial Processes and Products: Ullmann’s Encyclopädia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 2007 2.0 Was ist eine Bioraffinerie? Vergleich der Basisprinzipien der Erdölraffinerie und der Bioraffinerie Raffinerie Bioraffinerie Kraftstoffe und Energie: Bioethanol, Biodiesel, Biogas, Wasserstoff Kraftstoffe und Energie Erdöl Biomasse Chemie Stoffliche Nutzung, Chemie, Biopolymere und Biokunststoffe 2.1 Was ist eine Bioraffinerie? Internationale Bioraffinerie-Systeme Gegenwärtig werden in Forschung, Entwicklung und Praxis vier Systeme stark forciert: Die LCF-Bioraffinerie – Lignocellulose Feedstock Biorefinery (Rohstoffe: „naturtrockene“ Biomasse, cellulosehaltige Biomassen und Abfälle). Die Getreide-Bioraffinerie – Cereale-Biorefinery/Corn-Refinery (Rohstoffe: Getreide-Ganzpflanzen, z.B. Triticeen; Stärkepflanzen, z.B. Mais). Auch: Ganzpflanzen Raffinerie, Trocken- und Nassverfahren Die Grüne Bioraffinerie – Green Biorefinery (Rohstoffe: „naturfeuchte“ Biomassen, grünes Gras, Luzerne, Klee, unreifes Getreide). Das Zwei-Plattform Konzept – Biorefinery two platforms concept 2.1 Was ist eine Bioraffinerie? Lignocellulose Feedstock Bioraffinerie Lignocellulose Biomasse (LCF) Cellulose biotech-chemisch Zucker Rohstoff Hemicellulose biotech-chemisch Kraftstoffe, Chemikalien, Materialien Lignin chemisch Lignin Rohstoff Rückstände Kraft-Wärme-Kopplung Vorteile berücksichtigt den Erhalt von der Natur vorgeprägten Strukturen und Strukturelementen, Erhalt der Heteroatome, billiger Rohstoff, große Produktvielfalt, ausgeprägt stammbaumfähige Raffinerie Nachteile noch Entwicklungsbedarf: z.B. Ligninverwertung, „saubere“ PrimärRaffination zu Cellulose, Hemicellulose, Lignin 2.1 Was ist eine Bioraffinerie? Getreide-/Ganzpflanzen Bioraffinerie Ganzpflanze, Getreide Trockenmühle Korn biotech-chemisch, physiko-chemisch Stärkelinie, Zucker, Rohstoff Mehl physiko-chemisch Nahrungsmittel, Kraftstoffe, Chemikalien, Materialien Stroh biotech-chemisch Lignocellulose Rohstoff Rückstände Kraft-Wärme-Kopplung Vorteile berücksichtigt den Erhalt von der Natur vorgeprägten Strukturen und Strukturelementen (Stärke, Cellulose), Erhalt der Heteroatome, eingefahrene Basistechnologie und Verarbeitungslinien. Nachteile basiert im Wesentlichen auf „Ackerfrüchten“, d.h. hohe Rohstoffkosten. 2.1 Was ist eine Bioraffinerie? Die Grüne Bioraffinerie Press-Saft biochemisch, biotech-physikalisch Grüne Biomasse Presse Proteine, Lösl. Zucker Futter, Kraftstoffe, Chemikalien, Materialien Press-Kuchen hydrothermisch, enzymatisch, thermochemisch Cellulose, Lignocellulose Rückstände Biogas Kraft-Wärme-Kopplung Aktivitäten z.B. in Deutschland, Dänemark, Österreich, Frankreich Vorteile großer Biomasse-Ertrag/ha, gute Kopplung mit Agroproduktion, gutes biotech-chemisches Potential, „simple“ Basistechnologien Nachteile schnelle Primärverarbeitung oder zu kontrollierende, da rohstoffverändernde Lagerung (Silage) 2.1 Was ist eine Bioraffinerie? Bioraffinerie Zwei-Plattform-Konzept Zucker Plattform biochemisch Zucker Rohstoff Biomasse Kraftstoffe, Chemikalien, Materialien Syngas Plattform thermochemisch Rückstände Konditioniertes Gas Reines Gas Kraft-Wärme-Kopplung Vorteile berücksichtigt Energie, Kraftstoffe und biobasierte Produkte, wenige großtechnische Basistechnologien nötig Nachteile Sieht die Präkursoren Lignin (z.T. 30%), Proteine (z.T. 20%) und Öle nur als thermische/thermochemische Ressource, Hochtemperaturtechnologie Quelle: National Renewable Research Energy Laboratory, USA 2.2 Was ist eine Bioraffinerie? Biomasse-Präkursoren, Plattformchemikalien und Anwendungen (Auswahl) Biomasse Präkursoren Plattform-Chemikalien Produkte/Anwendungen Getreide-Ganzpflanzen (Triticeen-Gruppe, Mais) Stärke Methanol Kraftstoffe und Additive Hemicellulose Ethanol Polyethylenfolie Cellulose Glycerin Lebensmittel-Verpackungen, Textilien Lignin Milchsäure Lignocellulose ‚naturtrockene’ Rohstoffe (Holz, Stroh) Grüne ‚naturnasse’ Rohstoffe (grünes Gras, Luzerne, Klee, unreifes Getreide) Öle, Fette Lävulinsäure Gehäusekunststoffe auf Basis von Lignin Protein Furfural Nylonbekleidung Lysin Schaumstoffe 2.3 Was ist eine Bioraffinerie? Integrierte Bioraffinerien – Technische Ziele & Meilensteine Existierende Stärkebasierte Bioraffinerien: Naß & Trockenmühlen 2000 Fraktionierung von Rohstoffen zum Zugang von hochwertigen Produkten neben der EthanolErzeugung 2005 Fraktionierung von Reststoffen in Trockenmühlen für neue Koprodukte aus Lignin 2010 Steigende Ethanol-Produktion durch Nutzung der Rest-Stärke & Separation von Proteinen als Co-Produkte Integrierte Industrielle Bioraffinerien: Verarbeitung von Rohstoff-Mix via Prozeß-Mix zu Produkt-Mix 2020 Fraktionierung von Korn und Reststoffen, Nutzung von Energiepflanzen in Trockenmühlen Fertigstellung Planung Quelle: Kaempf, D.; 1st International Biorefinery Workshop, Washington D.C.; July 20-21, 2005 2.3 Was ist eine Bioraffinerie? Integrierte Bioraffinerie Optionen Biomasse Technologie Produkte Nutzung Getreide-Ganzpflanzen (Triticeen-Gruppe, Mais) Hydrolyse Säuren, Enzyme Zucker und Lignin Lignocellulose ‚naturtrockene’ Rohstoffe (Holz, Stroh) Vergasung Hohe Temperaturen, geringer Sauerstoff Kraftstoffe Ethanol, Biodiesel Wasserstoff Brennstoffe Elektrizität, Wärme Chemikalien Plastik Lösungsmittel Zwischenprodukte Phenole Klebstoffe Furfural Fettsäuren Essigsäure Kohlenstoff Farbstoffe, Pigmente, Tinte, Detergentien, etc. Nahrungs- & Futtermittel Synthesegas Grüne ‚naturnasse’ Rohstoffe (grünes Gras, Luzerne, Klee, unreifes Getreide) Biogas Bioöl Fermentation Bakterien Pyrolyse Katalyse, Wärme, Druck Extraktion Mechanisch, Chemisch Separation Mechanisch, Chemisch Kohlenstoff-reiche Ketten Pflanzenprodukte 3.0 Anlagen und Produkte Existierende Bioraffinerien Phase I (Generation I), Auswahl Existierende Bioraffinerie, Phase II (Generation II) Rohstoff Anlagen Länder Rohstoff Anlagen Länder Zuckerrohr Zucker und Ethanol Produktion Brasilien 17 Mio t/a Mais-Korn Korn Hydrolyse & MilchsäureFermentation & PLA Produktion U.S.A. 200 kt/a LA 140 kt/ a PLA Mais-Korn Korn-Hydrolyse und Ethanol Produktion U.S.A. 22 Mio t/a Getreide-Korn Korn Hydrolyse und Ethanol Produktion Germany 1 Mio t/a Mais-Korn Quelle: Kamm, B.; Kamm, M.; Das Konzept der Bioraffinerie, Produktion von Plattformchemikalien; Chemie Ingenieur Technik 5 (2007), S. 592–603 Start 2007 Korn-Hydrolyse & 1,3-PropandiolFermentation U.S.A. 45 kt/ a PDO 3.0 Anlagen und Produkte Existierende Bioraffinerien Phase I (Generation I), Auswahl Planung Bioraffinerie, Phase II (Generation II) Rohstoff Anlagen Länder Rohstoff Anlagen Zuckerrübe/ Weizen-Korn Zucker Produktion bzw. Korn-Hydrolyse & Ethanol Produktion Frankreich 1,2 Mio t/a Zuckerrohr Zuckerrübe/ Weizenkorn Zucker Produktion bzw. Korn-Hydrolyse & Ethanol Produktion Belgien 1,3 Mio t/a Start 2011 Ethanol-Fermentation & Dehydratisierung & PE Produktion Getreide-Korn Korn Hydrolyse und Ethanol Produktion Spanien 1,3 Mio t/a Quelle: Deutscher Bioraffinerie Kongress 2007, 12. und 13. September 2007, Bundespresseamt, Berlin Gras-Silage Start 2008 Pilotanlage Presssaft Aminosäuren Milchsäure Länder Brasilien 350 kt/ a PE Österreich 5t/h Input 3.0 Anlagen und Produkte Beispiel Existierende Industrielle Bioraffinerie NatureWorks LLC (ehemals Cargill Dow) Polylactid Polymer (PLA) Anlage Landwirtschaft Biotechnologie Chemie Material Prozesse Mais (Korn) als Rohstoff PLA Anlage kombiniert mit einer Cargill Starch Plant Lactic acide Plant; Blair, NE, USA Produktionsbeginn: Januar 2003 200 kt LA Kapazität PLA & Lactide Anlage; Blair, NE Produktionsbeginn: November 2001 140 kt PLA Kapazität PLA (Polymer) für Materialien – Verpackung, Folien, Fasern etc. Quelle: NatureWorks LLC 3.0 Anlagen und Produkte Zukünftige Vision PLA Produktion Typen von Rohstoffen Mais-, Getreidekorn LC-Biomasse (Lignocellulose) Weichholz Quelle: NatureWorks LLC, 2005 Hartholz Agro-Reststoffe Gras z.B. Maisstroh, Getreidestroh, Bagasse, etc. 3.0 Anlagen und Produkte Die „Island Ethanol-orientierte Bioraffinerie“ (Pilotanlage)–Eckdaten Rohstoff Lignocellulose Biomasse (Mix) Menge/Preis Bemerkungen 20.000 t/Jahr Lupine Stroh, Gerstenstroh, Heu Haupttechnologie Saure Hydrolyse zu Zucker, Fermentation zu Ethanol Hauptprozessenergie Geo-thermischer Dampf modifizierter „Bergius/Rheinau“ Prozess biorefinery.de GmbH Technologien 1,25 Euro/t Standort der Anlage Greenhouse Region, Nähe Flúdir Hauptprodukte (Phase I) Ethanol für E10 Kraftstoff Süd-Island 7 Mio l/Jahr Betreiber Icelandic Biomass Company Kosten Dampf: 170°C /7 bar 0,46 Euro/l Sitz: Reykjavik, IS 12 Mio Euro Inkl. F&E 14 Mio Euro 3.1 Pilotanlage Grüne Bioraffinerie Die Grüne Bioraffinerie –Pilotanlage (Eckdaten) Füll- & Dämmstoffe Grüne Pellets, Futter Press-Kuchen Cellulose-Rohstoff Grüngut -Trockenwerk Gras, Luzerne, Blattwerk, Kraut u.a. Naßfraktionierung/ Presse Festbrennstoffe Chemie-Rohstoffe SAFT Wärme, Strom Vorhaben: Bau „PrimärBioRaffinerie Selbelang“ Anlagenkapazität: 1 .Stufe: 8.000 t TM (8 M/J), Grüngut: Luzerne, WM-Gras PrimärRaffineriestufen: Pellets, Proteine Milchsäure (Andocklinie), Lysin (Andocklinie) Biogas-KWK-Kopplung; Invest-Kosten: Euro 10 Mio Stroh, Weidenholz, Biogas Fasern, Cellulose ( Lävulinsäure u.a.) Press-Saft Separator Trennverfahren BiomasseHeiz- & Kraftwerk Proteine, Feststoffe Enzyme Kohlenhydrate Geschmacksstoffe Energie Farbstoffe Stroh Biogas Milchsäure, Lactate Getreide, Ganzpfl. Aminosäuren Korn u./o. Stroh Kartoffeln u./o. Saft Vorbehandlung Proteine (SCP) Fermentation Enzyme Melasse Organische Säuren Kamm et al., Wiley-VCH, 2006 Dünger Ethanol 3.24 Mengenbilanzen Fermentation v. Lysinlactat Fermentation of lysine lactate with green juice from alfalfa O O NH3+ HO NH2 - O OH CAS: 57061-63-9 mw: 236,27 g/mol melting point: 146-149 °C1 application: lotion for treatment of skin disorders² 1M.Pfeil; diploma thesis, 2006; 2Parab 1995; Patent Nr. 94-215984; Topical preparations having alph- hydroxy carboxylic acids for treatment of skin disorders 3.24 Mengenbilanzen Fermentation v. Lysinlactat Fermentation parameters Bacteria: Fermentation conditions: • Lactobacillus paracasei subsp. • T = 40,5 °C paracasei (DSM 2649) • pH = 6,55 pH-correction: Fermenter: • 50% L-lysine (Evonik Industries AG) • BIOSTAT MD (SARTORIUS AG) •Classical: •New Approach: MRS Medium Medium from Biorefinery processes 3.24 Mengenbilanzen Fermentation v. Lysinlactat Fermentation- culture mediums 0,5 l Green juice 1 l MRS peptone from casein 10 g/l meat extract 8 g/l NH4-N yeast extract 4 g/l K2HPO4 total nitrogen 0,5 l Rye hydrolysate 2.42 g/kg 1123.5 mg/l 337.7 mg/l 15.4 mg/l Cl- 200 mg/l 273 mg/l1 2 g/l SO42- 455 mg/l 1060 mg/l1 (NH4)2C6H6O7 2 g/l Na+ 109 mg/l 553 mg/l1 CH3COONa 5 g/l K+ 1430 mg/l 777 mg/l1 MgSO4 0,2 g/l Mg2+ 510 mg/l 145 mg/l1 MnSO4 0.04 g/l Ca2+ 1480 mg/l 40.1 mg/l1 4.5 g/l 88,28 g/l glucose 50 g/l glucose 1values taken from: B.Kamm, M. Kamm, J. Venus; Principles of Biorefineries; 2006 Nova Science Publishers, Inc. 3.24 Mengenbilanzen Fermentation v. Lysinlactat 140 MRS P: L-Lactic acid L-Lactic a. yield c= 45,4 g/l c= 44,4 g/l concentration [g/l] E: Glucose 100 glucose 80 lactic acid 60 lysine lactate 40 97,8 % 20 (93% ee)* 0 0 L-Lysine -(L)-lactate 2 4 6 116,6 g/l 8 10 12 14 16 time [h] 120 green juice + rye hydr. 100 E: Glucose P: L-Lactic acid L-Lactic a. yield c= 39,5 g/l c= 37,7 g/l concentration [g/l] results 120 80 glucose 60 lactic acid lysine lactate 40 95,5 % 20 (86% ee)* 0 0 L-Lysine-(L)-lactate 99,5 g/l 2 4 6 8 10 12 14 16 time [h] figures: symbols = measured values; lines = fitted values *HPLC, Column for D/L-Determ. of L.A. 5 Ausblick Ausblick: Biobasierte Ökonomie in Deutschland (Beispiel Getreidestroh) Fossil-basierte Chemische Industrie produziert 5 Mio t Ethylen pro Jahr Fossil-basierte Kraftstoff Industrie Verkauf 25 Mio t Otto-Kraftstoff pro Jahr ~ 33.8 Mio m3 Basischemikalie für Polymere Substitution Substitution Landwirtschaft produziert ca. 50 Mio t/Jahr Getreide (Korn–Nahrungsmittel) Entspricht ~ 50 Mio t verfügbares Stroh pro Jahr (1 t Stroh entspricht 280 kg Ethanol) 14 Mio t Ethanol 8,5 Mio t Ethanol für 5 Mio t Ethylen 5,5 Mio t Ethanol 6,97 Mio m3 für Kraftstoffe u.a. für E10 Otto-Kraftstoff (basierend auf 25 Mio t) benötigen ~ 3,16 Mio m3 E10 Otto-Kraftstoff ist Normal-Kraftstoff (10% Ethanol) Überschuss Ethanol ~ 3,80 Mio m3 für weitere Anwendungen E85 Kraftstoff, Chemie Grüne Chemie – Bioraffineriesysteme und Anlagen Kontakt Prof. Dr. Birgit Kamm Sebastian Leiß FI biopos e.V. und BTU Cottbus Forschungsstandort Teltow-Seehof Kantstraße 55 D-14513 Teltow Fon: 033 28-33 22-10 Fax: 033 28-33 22-11 Email: [email protected], [email protected] www.biopos.de www.biorefinica.de