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Süd-Chemie präsentiert sunliquid®
Auf dem ersten European Congress of Applied Biotechnology (ECAB) im September 2011 präsentierte Dr. Jochen Gerlach, Business Development Manager bei der Süd-Chemie AG, eine neue Technologie zur Herstellung von Zellulose-Ethanol.
Um nicht auf potentielle Nahrungsmittel zurückgreifen zu müssen, verfolgen moderne Bioraffinerie-Konzepte die Herstellung von Bio-Ethanol aus Lignocellulose-haltigen Nachwachsenden Rohstoffen, wie z. B. Agrarreststoffen. Ein Beispiel für einen solchen Reststoff ist Stroh, welches bei der Getreideproduktion anfällt und weltweit in großen Mengen verfügbar ist. Die bisherigen biokatalytischen Methoden zur Umwandlung der Zellulosen und Hemizellulosen in ihre Zuckerbestandteile führten allerdings nicht zu einer wirtschaftlich rentablen Produktion von Bioethanol.
Mit dem neu entwickelten sunliquid®-Verfahren der Süd-Chemie ist dies jetzt sowohl technisch als auch ökonomisch möglich. Dieser neuartige Prozess integriert u. a. die Produktion speziell optimierter Hydrolasen und ein neuartiges Verfahren zur Ethanolaufreinigung auf einer energie- und kosteneffizienten Basis. Das Substrat spielt dabei nur eine untergeordnete Rolle, denn das Verfahren kann innerhalb kurzer Zeit auf verschiedene Rohstoffe, wie Getreide- oder Maisstroh, Bagasse oder Miscanthus u. a. angepasst werden.
Das sunliquid®-Verfahren
Nach der Vorbehandlung des Ausgangsstoffes zur Öffnung der Lignocellulosestruktur werden prozess-integriert hergestellte Enzyme zugegeben, die das Substrat hoch effizient (hohe Ausbeuten und kurze Reaktionszeiten) zu Zuckermonomeren hydrolysieren. Eine anschließende Fermentation durch einen optimierten Hefenstamm, der simultan C5- und C6-Zucker zu Ethanol vergärt, liefert bis zu 50 Prozent mehr Ethanol im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, die nur C6-Zucker verwerten können.
- Das sunliquid®-Verfahren, schematisch. Quelle: Süd-Chemie AG
Die Süd-Chemie betreibt seit Februar 2009 am Forschungsstandort in München eine erste Pilotanlage zur Produktion von Zellulose-Ethanol. Im ersten Quartal 2012 wird in Straubing eine Demonstrationsanlage mit einer Kapazität von 1000 Tonnen Ethanol pro Jahr in Betrieb gehen. Die Realisierung erster Produktionsanlagen im industriellen Maßstab (50.000 – 150.000 Tonnen Ethanol/Jahr) wird für 2013/2014 anvisiert.
Vorteile von Zellulose-Ethanol gegenüber Biokraftstoffen der ersten Generation
Zur Bioethanolproduktion der ersten Generation zählen jene Verfahren, die auf landwirtschaftliche Erzeugnisse wie Zuckerrohr, Mais, Weizen und Zuckerrüben als Basis zur Herstellung von Bioethanol angewiesen sind. Die Produktion von Zellulose-Ethanol verwendet dagegen nur die nicht essbaren Rest- bzw. Abfallstoffe der Landwirtschaft.
Die Vorteile liegen auf der Hand:
- Das CO2-Einsparungspotenzial ist höher als bei Biokraftstoffen der ersten Generation:
- kein gesonderter Rohstoffanbau » keine zusätzlichen Treibhausgasemissionen, z. B. durch das Trockenlegen von Torfmoorwäldern für neue Landflächen,
- effizientere Rohstoffnutzung » auch Pflanzenreste können verwertet werden,
- effizientere Ethanolherstellung » C5- & C6-Zucker sind verwendbar.
- Es besteht keine Konkurrenz zwischen Kraftstoff und Lebensmitteln („Tank vs. Teller“-Diskussion).
- Keine direkte oder indirekte Landnutzungsänderung (ILUC = „Indirect Land Use Change“ = i. d. R. negative Auswirkungen auf die Umwelt, die durch die Änderung der Landnutzung, z. B. der vermehrte Anbau von Energiepflanzen wie Soja oder Ölpalmen, indirekt entstehen können)
Steigende Nachfrage nach Zellulose-Ethanol
Prognosen für die weltweite Nachfrage nach Zellulose-Ethanol ergeben eine Steigerung ausgehend von 0,4 Millionen Gallonen (= 1,5 Millionen Liter) im Jahr 2006 (entsprechend ca. 4 Prozent der Gesamtproduktion) auf 34,7 Millionen Gallonen (= 131,3 Millionen Liter) im Jahr 2020 (entsprechend ca. 48 Prozent des erwarteten Bioethanol-Bedarfs).
- Prognostizierter Bedarf an Bioethanol im Jahr 2020 in Millionen Gallonen im Vergleich zu 2006, gesplittet nach Herstellungsverfahren. (Herstellung nach der 1. Generation = Verwendung von Zuckern/Stärke/Ölen als Ausgangsstoffe, Herstellung nach der 2. Generation = Verwendung von Zellulose/Hemizellulosen als Ausgangsstoffe.)
Rohstoffpotential in Europa und Deutschland
Die Gesamtmenge der weltweit von der Natur produzierten Biomasse beläuft sich auf ca. 160 Milliarden Tonnen jährlich, rund drei Viertel davon sind Zellulose und Hemizellulosen. Dagegen besteht nur ein sehr geringer Teil (1,1 Prozent) aus Mono- und Discchariden bzw. Stärke. Ein industriell einfach nutzbarer Teil ist beispielsweise Getreidestroh, das als Nebenprodukt in der Landwirtschaft entsteht. In Europa wurden im Jahr 2008 ca. 294 Millionen Tonnen Getreidestroh produziert, in Deutschland belief sich die Menge im Jahr 2010 auf 35,4 Millionen Tonnen. Wirtschaftlich genutzt wird davon derzeit nur ein geringer Anteil.
Dies angenommen ergeben sich interessante Möglichkeiten:
Zwei Gedankenkonstrukte
Gesetzliche Regelungen: RED, FQD und BImSchG
Die EU und Deutschland haben sich ehrgeizige Ziele zur Verringerung der Treibhausgasemissionen gesetzt, welche mit Bioethanol der ersten Generation nicht erfüllt werden können. Gründe dafür sind einerseits der gesteigerte Landflächenverbrauch für den Rohstoffanbau, andererseits müssten die Mischungsverhältnisse (Biokraftstoff : fossiler Kraftstoff) viel höher sein. Nicht zuletzt werden durch die verstärkte Nutzung im Treibstoffsektor auch höhere Weizen- und Zuckerpreise befürchtet.
Gesetzliche Regelungen
Somit ist die Herstellung von Bioethanol aus Lignocellulosehaltigen Rohstoffen eine erstrebenswerte Methode erneuerbare Energien zu nutzen und inzwischen mit dem sunliquid®-Verfahren auch wirtschaftlich rentabel.
Hintergrund: Lignocellulose
Das Gerüst der Zellwände verholzter Pflanzen wird gebildet von Lignocellulosen. Diese Substanzen entstehen durch das nachträgliche Einlagern von Lignin in die vorhandenen Zellwände, welche hauptsächlich aus Zellulose und Hemizellulosen bestehen. Aufgrund ihrer dichten Struktur (Kristallinität) sind Lignocellulosen u. a. für Enzyme schwer zugänglich und tragen somit ihrer Funktion als Stütz- und Schutzsubstanz Rechnung. Die Zusammensetzung der einzelnen Bestandteile variiert von Art zu Art. Aufgrund dieser Tatsachen stellen Lignocellulosen große Herausforderungen an die Entwicklung wirtschaftlich nutzbarer Verfahren dar.
Weiterführende Links:
Zellulose-Ethanol-Anlage
Bioethanol aus Stroh
Süd-Chemie und Clariant
