Von der Innovation zum Wirtschaftsfaktor: Herstellung von Biochemikalien durch Bioraffination
23 Nov 2020
Die Bioraffination ist ein Kernelement der aufstrebenden Bioökonomie und beinhaltet die Umwandlung von Biomasse in verschiedene biobasierte Produkte und Komponenten zur weiteren Nutzung in verschiedenen Industrien, insbesondere in der chemischen Industrie. Durch die verstärkte Nutzung nachwachsender Rohstoffe senkt die Industrie ihren CO2-Fußabdruck. Indem sie neue Innovationen – das wachsende Segment der biobasierten Chemikalien mit einbezogen – entwickelt, reduziert sie den Verbrauch fossiler Rohstoffe.
Durch Bioraffination wird Biomasse in wertvolle Produkte und Komponenten umgewandelt, die heute umfassend in der Lebensmittel-, Futtermittel-, Bioenergie- und chemischen Industrie genutzt werden. Biomasse wird vor allem aus folgenden Rohstoffen gewonnen:
- Pflanzen
- Mikroorganismen
- Organischem Abfall
- Pilze
Diese Rohstoffe sind regenerativ, d. h., sie wachsen relativ schnell nach und fallen daher in die Kategorie der erneuerbaren Ressourcen. Rohstoffe der ersten Generation enthalten Zucker und Pflanzenöle, die in Nutzpflanzen wie Zuckerrohr, Mais oder Raps vorkommen. Die Nutzung dieser pflanzlichen Ressourcen für andere Zwecke als die Nahrungsmittelproduktion ist heftig umstritten. Aus diesem Grund wächst der Druck auf die Hersteller und die Forderungen nach einer Verwendung von Rohstoffen der zweiten Generation werden immer lauter. Hierzu zählen Abfallströme aus der Nahrungsmittelproduktion oder der Holzindustrie, lignozellulosehaltige Biomasse oder forstwirtschaftliche Nutzpflanzen, landwirtschaftliche Reststoffe oder Agrarabfälle, aber auch spezielle Energiepflanzen, die nicht für den Lebensmittelbereich bestimmt sind und auf marginalem, für die Nahrungsmittelproduktion ungeeignetem Land angebaut werden.
Prozessablauf der Bioraffination
Die Bioraffination umfasst die vorgelagerten Prozesse zur Vorbehandlung, die eigentliche Umwandlung (Fermentation) sowie die nachgelagerten Prozesse zur mechanischen oder thermischen Isolierung von Ölen, Fetten, Lignozellulose, Proteinen, Stärke und Zucker. Diese Inhaltsstoffe werden anschließend für die Herstellung von Lebens- und Futtermitteln, Biokraftstoffen, Biokunststoffen und als Bausteine für Chemikalien und Biochemikalien eingesetzt. Die Herstellung chemischer Bausteine, auch Plattformchemikalien genannt, erfordert die Fraktionierung der Rohstoffe in Zwischenprodukte (z. B. Kohlenhydrate, verschiedene Proteine oder Triglyceride). Diese werden anschließend zu werthaltigen biobasierten Feinchemikalien und herkömmlichen Chemikalien weiterverarbeitet.
Bei der Bioraffination wird Biomasse aus unterschiedlichen Ressourcen verarbeitet, um wichtige Bestandteile und Chemikalien für die industrielle Nutzung zu isolieren. So sollen der CO2-Fußabdruck der Industrie und die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen verringert werden.
Bioökonomie: Wo stehen wir jetzt?
Die Bioökonomie als Maßstab und Innovationsfaktor wurde lange Zeit fast ausschließlich mit dem Agrarsektor in Verbindung gebracht. Diese Einstellung ist mittlerweile jedoch einer deutlich ganzheitlicheren Betrachtung gewichen. Heute herrscht weitgehend Einigkeit darüber, dass eine Wirtschaft, die auf der nachhaltigen Nutzung erneuerbarer biologischer Ressourcen (zu denen auch Abfall gehört) beruht, die entscheidende Strategie zur Weiterentwicklung für alle Branchen ist. Die Industrie mit ihren zahlreichen Anwendungen steht folglich unter dem extremen Druck, die Nachhaltigkeit ihrer Prozesse und Produkte für Verbraucher und Geschäftskunden zu verbessern. Aus diesem Grund spielt die Bioraffination, einschließlich der Herstellung von Chemikalien auf biologischer Basis aus erneuerbaren Ressourcen, eine enorm wichtige Rolle.
Traditionell werden nahezu alle Grundchemikalien aus Erdöl, d. h. aus flüssigen fossilen Rohstoffen, gewonnen. Sie bilden die Bausteine in Kunststoffen, Farbstoffen, Düngemitteln und vielen anderen Produkten, auf die wir seit Jahrzehnten angewiesen sind. Die Umsetzung der Bioökonomie mithilfe von biobasierten Chemikalien, oft auch als „weiße Biotechnologie“ bezeichnet, erfordert unternehmerische Anstrengungen und Investitionen, die angesichts des anhaltend niedrigen Ölpreises jedoch deutlich erschwert werden. Dies hemmt nicht nur die Entwicklung von Industrieanlagen für die wirtschaftliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe, sondern wirkt sich auch nachteilig auf die Preisgestaltung und Wettbewerbsfähigkeit aus. Zudem geben sich viele Investoren nicht mit einer Machbarkeitsstudie zufrieden und fordern stattdessen z. B. Versuchsanlagen zum Nachweis der Skalierbarkeit auf Industriemaßstab.
Darüber hinaus erschweren und verteuern manche Vorschriften – so wertvoll und sinnvoll sie zum Schutz der Verbraucher auch sein mögen – die Gewährung behördlicher Genehmigungen, insbesondere wenn es um neuartige Lebensmittel oder Inhaltsstoffe geht. Weite Teile der Bioökonomie sind daher immer noch von Subventionen abhängig oder noch nicht realisiert. Trotz verstärkter Forschung und Entwicklung in der chemischen Industrie während der letzten 10–15 Jahre hat sich auch die Produktion von Grund- und Plattformchemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen größtenteils als nicht wettbewerbsfähig erwiesen.
Doch die biochemische Industrie hat Wege gefunden, um einige dieser Herausforderungen zu meistern. So entstanden neue Unternehmen, die sich auf ausgewählte Wertschöpfungsketten konzentrieren und Nischen bei der Herstellung von Kosmetika, Spezialchemikalien und Klebstoffen besetzen, aber auch Plattformchemikalien entwickeln, um diese zur weiteren Verwendung in anderen Produkten zu vertreiben. Anders gesagt: Insgesamt ist der Ersatz petrochemischer Produkte durch nachwachsende Rohstoffe rentabel geworden, wenn sie als Grundlage für die Herstellung von Produkten mit höherem wirtschaftlichem Wert verwendet werden können.
Das beeindruckende Wachstum in diesem Sektor lässt sich auf mehrere wichtige Trends zurückführen:
- Stark wachsender Fokus der industriellen Marktführer auf Reduzierung der Treibhausgasemissionen durch Kreislaufwirtschaft unter Verwendung CO2-neutraler Rohstoffe
- Ein höheres Marktpotential von biobasierten Chemikalien, von denen einige eine größere Funktionalität oder bessere Leistung gegenüber den aus Erdöl produzierten Alternativen bieten
- Das Bestreben nach stärkerer Unabhängigkeit von den traditionellen Erdölförderländern und dem Ölpreis, in Verbindung mit der wachsenden Tendenz zur „grünen Energie“
GEAs Referenzen in der Bioraffinerie und der Beitrag zur Bioökonomie
Die Lösungen und Erfahrungen von GEA bei der Bioraffination decken nahezu alle Bereiche von erneuerbaren Ressourcen und Industrieanwendungen ab. Dazu zählt auch die effiziente Produktion von Biokraftstoffen einschließlich Schlempeverarbeitung, von Biopolymeren und Biokunststoffen sowie Komponenten und Inhaltsstoffen für die Lebensmittel- und Futtermittelindustrie. Gemeinsam mit Kunden und verschiedenen Arbeitsgemeinschaften arbeiten wir an der Entwicklung und Prüfung von Bioraffinationsprozessen und-anlagen: zum Beispiel für die Herstellung von Säuren aus nachwachsenden Rohstoffen, die als Bausteine für Biokunststoffe verwendet werden sollen; für die Nutzung von Mikroalgen in Biopestiziden und Futtermitteln; die Herstellung von Kautschuk aus Löwenzahn, die Produktion von Insektenprotein, die Nutzung von Abfallströmen aus der Lebensmittelproduktion und noch vieles mehr. GEA unterstützt seine Kunden auf ihrem Weg zur industriellen Produktion mit einem Netzwerk aus professionell ausgestatteten Testzentren, Laboreinrichtungen und Pilotanlagen.
Mit seiner Kompetenz und Lösungen für die biobasierte chemische Industrie deckt GEA Aspekte der Fermentation und wichtige nachgelagerte Prozesse ab, darunter:
- Biomasseabscheidung durch Zentrifugen oder Membranfiltration
- Produktisolation und -klärung durch Destillation, Schmelzkristallisation oder Membranfiltration
- Konzentrierung durch Verdampfung
- Kristallisation und Trocknung des Endprodukts
- Konzentrierung und Trocknung von Nebenprodukten
GEA versorgt derzeit Bioraffinerien verschiedener bedeutender Industriepartner mit Dekantern, Separatoren, Verdampfern und Fließbetttrocknern und ermöglicht so die Herstellung von Biochemikalien der nächsten Generation. Als Rohstoffe für diese grüne Produktion werden hauptsächlich Vollholz aus nachhaltig bewirtschafteten Wäldern, Restholz, Durchforstungsholz, Industriebuchenholz (üblicherweise Brennholz) sowie Abfälle aus regionalen Sägewerken verwendet. GEA unterstützt darüber hinaus Kunden bei der Herstellung von Bioenergie und Biokraftstoffe aus Industriezucker und Reststoffströmen.
GEA unterstütze 2019 einen weltweit führenden Anbieter von Biochemikalien aus Norwegen bei der Installation einer neuen Anlage zur Produktion von Lignin, einem organischen Polymer, das in Bäumen, Pflanzen und einigen Algen vorkommt. Lignin und Ligninsulfonate werden in Betonzusatzmitteln, Düngemitteln, industriellen Bindemitteln, Ölfeldchemikalien und einer Reihe anderer Anwendungen eingesetzt. Zur schlüsselfertigen Sprühtrocknungsanlage, die nachgelagerte Prozesse unterstützt, gehört auch ein neues Silo zur Zuführung gelagerter Pulvermaterialien in das Verpackungssystem der Anlage sowie ein großer Nasswäscher zur Entstaubung. Die fortschrittliche Wäschertechnologie von GEA ermöglicht die Rückgewinnung wertvoller Substanzen. Das Waschwasser wird dem Sprühtrockner anschließend wieder als Prozesswasser zugeführt, was die Gesamtproduktausbeute erhöht und den Frischwasserverbrauch reduziert.
Ein französisches Biotechnologieunternehmen, das als Start-up begann, ist nun mit der Unterstützung von GEA dabei, eine industrielle Produktionsanlage zu errichten. Unsere leistungsstarken Testzentren, unsere große Erfahrung und unser Ruf für Zuverlässigkeit waren einige Gründe, warum sich für GEA als Partner entschieden wurde. Mittels eines patentierten Fermentationsverfahrens nutzt das Unternehmen Abfälle aus der Zuckerrübenproduktion für die Herstellung von neuen, besonders werthaltigen Molekülen. Diese Säuren bilden die Bausteine für chemische Produkte, die in der Lebensmittel-, Pharma-, Kosmetik-, Chemie- und Agrarindustrie verwendet werden. GEA wird für die neue Industrieanlage, die 2021 in Betrieb gehen soll, eine Konzentrations- sowie Destillationsanlage für fermentierte Produkte auf Zellulosebasis installieren.
