Bioraffinerien - Technische Universität München
Bioraffinerien - Technische Universität München
Bioraffinerien - Technische Universität München
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<strong>Technische</strong> Universität München<br />
<strong>Bioraffinerien</strong> –<br />
Möglichkeiten für die Landwirtschaft<br />
und für eine nachhaltige<br />
Chemieproduktion<br />
Prof. Volker Sieber<br />
28.09.2011<br />
2011<br />
Lehrstuhl für Chemie Biogener Rohstoffe<br />
TU München
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Rohstoffbasis der ORGANO-chemischen Industrie<br />
Anteil der Kosten an Bruttowertschöpfung der Deutschen Chemischen<br />
Industrie > 30% (2006, Quelle: VCI)<br />
10 % Nachwach-<br />
sende Rohstoffe<br />
anorganisch<br />
organisch<br />
80 % Erdöl<br />
~70 % ~30 %<br />
2 % Kohle<br />
8 % Erdgas<br />
Die Wertschöpfung der chemischen Industrie ist im Gegensatz zur<br />
Energiewirtschaft auf Kohlenstoffverbindungen angewiesen.
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Biomasse für die Chemische Industrie<br />
1920:<br />
1000 kg Holz ergeben<br />
•260 kg Kohle<br />
•190 kg Gas<br />
•460 kg Flüssigkeiten<br />
•400 kg Wasser<br />
•50 kg Essigsäure<br />
•10 kg Methanol<br />
Historische „Bioraffinerie“<br />
Quelle: Degussa<br />
(Heute): „Biomass to Liquid“<br />
1000 kg Holz ergeben<br />
• 100 l – 200 l Alkan/Alken<br />
BTL Prozess, Choren (Insolvent)
Vielfalt der Natur für Vielfalt der Chemieprodukte nutzen<br />
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Synthesegas<br />
Alkane, Alkene<br />
CO, H 2<br />
Biomasse<br />
C 13 H 21 O 10<br />
Kohlenhydrate<br />
Lignin<br />
O<br />
Fettsäuren<br />
Aminosäuren<br />
R CO 2<br />
-<br />
Terpene<br />
NH 3<br />
+<br />
65 % 30 %
Vielfalt der Natur für Vielfalt der Chemieprodukte nutzen<br />
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Biomasse<br />
C 13 H 21 O 10<br />
Kohlenhydrate<br />
Lignin<br />
O<br />
Fettsäuren<br />
Aminosäuren<br />
Terpene<br />
-<br />
R CO 2<br />
NH 3<br />
+
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Herausforderungen<br />
• Verfügbarkeit<br />
• Technologie<br />
• Zeit und Kosten
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Verfügbarkeit<br />
Teller oder Tank<br />
Krippe oder Kunststoff<br />
Verwertung von<br />
landw. Reststoffen<br />
Kurzumtriebsplantagen<br />
Neu gezüchtete<br />
Biomassepflanzen
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Strategien zur Steigerung des Anteils nachwachsender Rohstoffe<br />
• Integrierte t Aufarbeitung von „Non-food“ d“Biomasse in <strong>Bioraffinerien</strong>, i die im<br />
Verbund Chemikalien, Biogas, Kraftstoffe und Energieträger liefern<br />
Quelle: T. Hirth
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Herausforderungen<br />
• Verfügbarkeit<br />
• Technologie<br />
• Zeit und Kosten
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Herausforderungen: Technologie<br />
1.Effizienter Aufschluss der Biomasse<br />
2.Vollständige Verwertung der Biomasse<br />
3.Einfache Umsetzungsprozesse<br />
4.Produktreinigung aus wässrigen Systemen<br />
5.Etablierung neuer Stoffe
1. Effizienter Biomasseaufschluss<br />
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Ca. 20 % Ca. 20 % Ca. 40 %<br />
Hemicellulose<br />
Lignin<br />
Cellulose<br />
Physiko-chemische<br />
Methoden<br />
Biologische /<br />
Enzymatische Methoden<br />
Hydrolysat Oligo- /Monsaccharide
2. Vollständige Verwertung: Lernen von der Erdölchemie<br />
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Oil<br />
Distillation,<br />
Reforming<br />
Alkylation<br />
, Hydrotre<br />
, Cracking<br />
ating,<br />
g,<br />
C2<br />
C3<br />
C4<br />
C5<br />
C6<br />
…
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Bioraffinerie – Selektive Produktströme für umfassende Verwertung<br />
LCB<br />
Enzyme 1<br />
Treatment 1<br />
Enzyme 2<br />
Treatment 2<br />
E3<br />
T3<br />
E4<br />
T4<br />
…<br />
…<br />
C5 sugars<br />
C6 sugars<br />
Proteins<br />
Lignin<br />
Low quantity<br />
substances<br />
Residual<br />
substrates<br />
Polyols ols &<br />
Derivatives<br />
Acetone …<br />
…Xylene<br />
Amino acids &<br />
Derivatives<br />
Phenols<br />
Dyes, sterins,<br />
etc.<br />
Energy recovery
Beispiel: „Grüne Bioraffinerie“<br />
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Grassilage<br />
Abpressen<br />
Milchsäure<br />
Polymilchsäure<br />
Extraktion<br />
Trocknung<br />
Proteine<br />
Fasern<br />
Aminosäuren,<br />
Futter<br />
Werkstoff
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
3. Einfache Umsetzungsprozesse<br />
=> Wesentliche Reaktionen<br />
- Defunktionalisierung von Kohlenhydraten<br />
- Umfunktionalisierung<br />
NH 2<br />
R 1<br />
OH<br />
OH NH 2<br />
R 2<br />
- Depolymerisation von Lignin<br />
=> Neue Katalysatoren und Biokatalysatoren<br />
O<br />
O<br />
Homogene<br />
Katalysatoren<br />
Heterogene<br />
Katalysatoren<br />
Biomasse<br />
Chemieprodukte<br />
Enzyme<br />
Mikroorganismen
3. Einfache Umsetzungsprozesse – Weiße Biotechnologie<br />
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Prozesse aus der lebenden Natur für Moleküle aus der lebenden Natur<br />
A B E F<br />
G<br />
A B E F<br />
C D<br />
C D<br />
-Metabolic engineering<br />
g<br />
-Enzym engineering<br />
• Optimierung der Mikroorganismen für effizientere Umsetzungen<br />
• Kombination einzelner Stoffwechselreaktionen aus verschiedenen<br />
Organismen<br />
Beispiele:<br />
• Propandiol (Dupont/Tate & Lyle) - Produktion<br />
• Bernsteinsäure (BASF) - Pilot<br />
• Isobutanol (Gevo) – Pilot<br />
• 14Butandiol 1,4 (Genomatica) – Pilot/Produktion
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Beispiel: C4-Körper - Mikrobielle Produktion von Bernsteinsäure<br />
CO 2<br />
Zucker<br />
Glukose<br />
Glycerin<br />
1 mol Glukose 2 mol Bernsteinsäure<br />
1 kg Glukose 1,3 kg Bernsteinsäure
3. Einfache Umsetzungsprozesse – Weiße Biotechnologie<br />
Zellfreie Biosynthese – Neue synthetische Reaktionswege<br />
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
A B E F<br />
G A B E F<br />
C D C D<br />
Fermentation<br />
A B E F<br />
Chemo-enzymatische<br />
Kaskadenreaktionen<br />
Beispiel: 1,4-Butandiol<br />
HO<br />
HC<br />
CHO<br />
HC<br />
CH<br />
OH<br />
HOH 2 C<br />
HC<br />
OH<br />
OH<br />
Glucose<br />
1,4-Butanediol
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
3. Einfache Umsetzungsprozesse – Kombinierte Bio/Chemokatalyse<br />
Depolymerisation von Lignini<br />
=> Aromatenquelle<br />
RuCl 2 (PPh 3 ) 3<br />
ADH/GST
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
4. Produktaufreinigung aus wässrigen Systemen<br />
Abtrennung gut wasserlöslicher Stoffe ist energetisch aufwendig,<br />
Besser sind:<br />
Gasförmige Produkte Unlösliche Produkte Unlösliche Produkte<br />
Zielprodukt<br />
Zielprodukt<br />
Zielprodukt<br />
H 2 O<br />
H 2 O<br />
H 2 O<br />
Reaktor<br />
Reaktor<br />
Reaktor<br />
Beispiel: i Isobuten Beispiel: i höhere Alkohole l<br />
Beispiel: i Succinat
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
5. Etablierung neuer Stoffe - Biopolymere statt Petropolymere<br />
Mikrobielle Polysaccharide in technischen Anwendungen<br />
Beispiel Flockulierungsmittel:<br />
- Verbesserung der Sedimentation<br />
(z.B. Kläranlagen)<br />
- Standard ist Polyacrylat => nicht<br />
bioabbaubar, Petropolymer<br />
Beispiel Bauzusatzstoffe:<br />
- Verhinderung der Segregation<br />
- Partikel in Suspension halten<br />
- Hohe Scherverdünnung<br />
- Hohe alkalische Stabilität<br />
Polyacrylat<br />
Polysaccharid<br />
Kontrolle<br />
0,02 % 0,02 %
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Herausforderungen<br />
• Verfügbarkeit<br />
• Technologie<br />
• Zeit und Kosten
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Herausforderungen: Zeit und Kosten<br />
• bestehende „Petro“-Anlagen<br />
• Wirtschaftlichkeit zu kurzfristig gefordert<br />
Kosten für Rohstoffe und Verarbeitung<br />
Quelle: T. Hirth
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Herausforderungen: Rohstoffkosten<br />
• Abhängigkeit der Rohstoffkosten von Rohölkosten?<br />
€/ to C<br />
gute Korrelation<br />
schlechte Korrelation<br />
Kosten für Rohstoffe und Verarbeitung<br />
gute<br />
Korr.<br />
Zucker<br />
Propen<br />
99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09
Chancen: Kosten<br />
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Biobasiertes Ethylen Glukose Ethanol Ethylen<br />
Glukose<br />
Ethylen<br />
Quelle: Linde
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Delokalisierte Produktion mit Biomasse<br />
Pipeline abhängige Industrie<br />
Pipeline<br />
Große Industrieparks durch einfache Rohstoffversorgung
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Delokalisierte Produktion<br />
Einfachere Prozesse für kleine Standorte<br />
• Prozesse technisch nicht anspruchsvoll (keine 200 bar oder 400 °C)<br />
Wässrig<br />
Mehr Enzymatik<br />
• Extrem: Kleine Anlage auf jedem Bauernhof für erste Umsetzungsstufe
Bayrisches Staatsministerium für<br />
Ernährung Landwirtschaft und Forsten<br />
Hof-Bioraffinerie<br />
Landw. Biomasse<br />
Hof-Bioraffinerie<br />
Chem. Grundstoffe<br />
„ … nachhaltige Bereitstellung von chemischen Grundstoffen durch Raffination<br />
landwirtschaftlicher Biomasse in modular aufgebauten Hof-<strong>Bioraffinerien</strong> …“
Hof-Bioraffinerie<br />
Aufgabenteilung<br />
Interdisziplinäres Forschungsprojekt<br />
Fachgebiet für Ökonomie<br />
NaWaRo<br />
Prof. Dr. Peter Zerle<br />
Wolfgang Schöberl<br />
Ökonomische Bewertung<br />
Rohstoffbereitstellung<br />
Technologie- und Förder-<br />
zentrum<br />
Dr. Bernhard Widmann<br />
Dr. Karin Zeise<br />
Akzeptanz/Adoption<br />
Logistik & Handling<br />
Fachgebiet für Marketing<br />
und Management NaWaRo<br />
Centrales-Agrar-Rohstoff-<br />
Marketing-Entwicklungs-Netzwerk<br />
Prof. Dr. Klaus Menrad<br />
Dipl.-Wi.-Ing. Edmund Langer<br />
Dr. Marina Zapilko<br />
Dipl.-Phys. Christian Leuchtweis<br />
Verfahrenstechnik<br />
Chem. Prozessentwicklung<br />
BioCat<br />
Lehrstuhl für Rohstoff- und<br />
Energietechnologie<br />
Prof. Dr.-Ing. Martin Faulstich<br />
Dr. Sebastian Egner<br />
Lehrstuhl für Chemie Biogener<br />
Rohstoffe<br />
Prof. Dr. Volker Sieber<br />
Dr. Jochen Schmid
<strong>Technische</strong> Universität München<br />
Zusammenfassung<br />
• Biomasse kann zur Verringerung des Erdöls beitragen<br />
• Neue Umsetzungsmethoden sind notwendig<br />
• Breitere Nutzung von Lignocellulose/Biomassepflanzen erforderlich<br />
• Die richtigen Produkte aus den richtigen Rohstoffen<br />
• Einfache dezentrale Verfahren
www.rohstoffwandel.de<br />
<strong>Technische</strong> Universität München
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