von Bernadette DANNERER Dipl.-Ing. Antonia ROM Prof. Anton ...

Butanol aus biogenen Reststoffen
August 2012
von
Bernadette DANNERER
Dipl.-Ing. Antonia ROM
Prof. Anton FRIEDL
Im Auftrag des
OeAD und BMWF im Rahmen der Aktion
„Rio+20 – Jugendliche ziehen Bilanz“
TU-ThVT 1662 2012004
3 Seiten
Institut für Verfahrenstechnik,
Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften
Forschungsbereich
Thermische Verfahrenstechnik und
Simulation
A-1060 Wien, Getreidemarkt 9/166
Tel.: +43/1/58801/166202
Gefördert bzw. finanziert in der Programmlinie „A3plus“ vom
Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT)

Wir bringen das Stroh in den Tank
Biobutanol – der Treibstoff der Zukunft
Biobutanol ist ein Biotreibstoff der 2. Generation. Diese Treibstoffe stehen nicht in
Konkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion, sondern werden aus Bioabfällen oder
Lignocellulose hergestellt.
Von li.: Dipl.-Ing. Antonia Rom, Bernadette Dannerer,
Prof. Anton Friedl
Die Forschungen, die den Rahmen für
dieses Projekt geboten haben, sollen
einen wichtigen Beitrag dazu leisten, die
aufgrund ihrer Konkurrenz zu
Nahrungsmitteln heftig diskutierten
Biotreibstoffe der 1. Generation
abzulösen. Regional anfallende
Biomasse soll den Rohstoff für den
Biotreibstoff bieten und die Abhängigkeit
von fossilen Rohstoffen vermindern. Die
Verwendung vorhandener Biomasse, wie
z. B. Molkeabfälle oder Weizenkleie, führt
zu einer verbesserten ökologischen Bilanz im Gesamtprozess. Da somit keine eigenen
Ackerflächen benötigt werden, bleibt die Biodiversität erhalten und es kommt zu keiner
Konkurrenz mit der Produktion von Nahrungsmitteln und der Nutzung von Trinkwasser.
Das Potenzial von Biobutanol wird als enorm groß eingeschätzt, wobei der Bedarf sich laut
Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen nicht nur auf den Einsatz als Treibstoffersatz
beschränkt. Der derzeitig bestehende kommerzielle Markt an Butanol wird auf über 5
Milliarden US-Dollar geschätzt. [1]
Mit seinen Vorteilen gegenüber Ethanol könnte kommerziell hergestelltes Biobutanol den
Markt der Biotreibstoffe erobern. Während Ethanol nur 60 % des Energieinhalts von Benzin
hat, hat Butanol 90 %, seine Verwendung führt also zu einer erhöhten Kraftstoffeffizienz. Es
ist zudem in höheren Konzentrationen mit Benzin, Diesel und Kerosin mischbar.
Wissenschaftler/innen in den USA haben bereits Ottomotoren mit 100 % Butanol betreiben
können. [1] Einen weiteren Vorteil bietet die Verwendbarkeit der bereits bestehenden Pipelines
und Tanks. Aufgrund der hydrophoberen Eigenschaften von Butanol kommt es hier anders
als bei Ethanol nicht zu Korrosion und zu keinen Problemen mit der Wasseraufnahme.
Die fermentative Herstellung von Butanol ist ein bekannter Prozess und wurde von Louis
Pasteur 1861 entdeckt. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelte sich die industrielle
ABE-(Aceton-Butanol-Ethanol)-Fermentation. Mit dem Aufkommen der Erdölindustrie kam

die fermentative Produktion von Butanol zum Stillstand, da das Butanol auf Basis von
fossilen Brennstoffen kostengünstiger hergestellt werden konnte. Die Ölkrise in den 70er
Jahren gab den Forschern und Forscherinnen Anlass, die Diskussion um erneuerbare
Energien zu starten. Damals wurde das Hauptaugenmerk auf die effizientere Ethanol-
Fermentation gelegt. Seither suchen Wissenschaftler/innen nach Möglichkeiten, die
Produktion unterschiedlichster Biotreibstoffe auf ein wettbewerbsfähiges Niveau zu bringen.
Der wichtigste Schritt bei der Gewinnung von Butanol ist die ABE-Fermentation. Dabei wird
aus Biomasse mit Hilfe von Clostridien (Mikroorganismen) eine wässrige Lösung gewonnen,
in der Aceton, Ethanol und Butanol im Verhältnis 3:1:6 enthalten sind. Im nächsten Schritt
muss das Butanol von den anderen Stoffen getrennt und aufkonzentriert werden. Eine
Möglichkeit dafür ist die Destillation. Wegen der geringen Butanol-Konzentration, die man
darüber gewinnt, wäre reine Destillation zu energieaufwendig. Die Membranabtrennung ist
ein effizienter Zwischenschritt, um die ABE-Komponenten mit etwas Wasser
aufzukonzentrieren und danach mittels Destillation zu trennen.
Versuchsanordnung (siehe Abbildung 1)
Roter Bereich Feedstrom Die Fermentationslösung wird im Kreis gepumpt.
Grüner Bereich Membran Das Gemisch wird aufgrund unterschiedlicher
Flüchtigkeiten aufgetrennt.
Blauer Bereich Sweepgas Der Trägergasstrom transportiert Butanol ab.
In unserer Versuchsreihe wurde der Einfluss des Sweepgasstromes auf die Selektivität
sowie den transmembranen Fluss bei unterschiedlichen Feedkonzentrationen untersucht.
Der transmembrane Fluss ist die Menge an Lösung, die durch die Membran fließt. Die
Selektivität gibt die Fähigkeit der Membran an, zwischen den Komponenten einer Lösung zu
unterscheiden. Aufgrund des Gewichtsverlusts sowie der Konzentrationsänderung im Feed
können wir den transmembranen Fluss und die Selektivität berechnen. Die Erhöhung des
Volumenstromes des Sweepgases führte zu gesteigerten Flüssen. Auf die Selektivität hatte
dies keinen Einfluss. Diese blieb während der Versuche annähernd konstant (Abbildung 2).
Abbildung 1: Versuchsanordnung der
Membranabtrennung
Abbildung 2: Selektivität α und transmembraner
Fluss J über dem Sweepgasstrom aufgetragen

Butanol ist ein vielversprechender Ersatz und eine Entlastung der zurzeit benötigten fossilen
Rohstoffe, doch es gibt einen sehr hohen Forschungsbedarf, um den technischen Prozess
zu verbessern. Allgemein verringern Biotreibstoffe die Abhängigkeit von Erdöl. Jedoch
können diese nur bedingt fossile Treibstoffe ersetzen, da sie nicht in den benötigten Mengen
produziert werden können. Gegenüber der Energiegewinnung aus Photovoltaikanlagen hat
Butanol den Vorteil, dass die Energie leichter gespeichert und transportiert werden kann.
Bisher ist die Gewinnung von Biobutanol noch zu energieaufwendig, um wettbewerbsfähig
produziert zu werden und sich am Markt halten zu können. Forschungspotenzial bei der
Biobutanolherstellung findet sich sowohl auf der fermentativen Seite des Prozesses als auch
im Bereich der Aufkonzentrierung. Forschungsarbeiten zu Mikroorganismen mit verbesserter
Substratumsetzung als auch zu Membrantrennprozessen, die die Kosten um 40 bis 50 %
senken können, werden in Österreich von der Firma Profactor und der TU Wien
durchgeführt. Das bestehende Potenzial von Biobutanol hat mittlerweile auch das Interesse
der Industrie geweckt. Nicht nur Unternehmen in den USA (Green Biologics Ltd.) arbeiten an
der Herstellung, [2] auch in Europa wurde das Potenzial erkannt. Die Konzerne BP und
DuPont haben 2009 ein gemeinsames Unternehmen gegründet, Butamax Advanced
Biofuels LLC. Im Zuge dessen soll in Großbritannien eine Pilotanlage eröffnet werden. [3]
Ein herzlicher Dank gilt dem FFG für die Förderung des Projekts 831.095, im Rahmen
dessen das Praktikum durchgeführt wurde, sowie dem Projektpartner, der Firma Profaktor.
Während des Praktikums konnte auch eine Biogasanlage in Österreich besucht werden und
Herrn Dr. Gruber Schmidt sei für die Führung gedankt.
Ein großer Dank ist nicht zuletzt auch Frau Kalchbrenner, dem OeAD und dem BMWF
auszusprechen, die dieses Praktikum im Rahmen der Aktion „Rio+20 – Jugendliche ziehen
Bilanz“ ermöglicht haben.
Bernadette Dannerer Antonia Rom Anton Friedl
1. www.biobutanol.com (Zugriff am 22.8.2012).
2. www.butanol.com (Zugriff am 17.8.2012).
3. www.butamax.com (Zugriff am 21.8.2012).
4. Friedl, A. et. al., 1991: Continuous ACEton-Butaol-Ethanol Fermentation using immobilized cells of Clostridium acetobuylicum in a bed
reactor and integration with product removal by pervaporation. Biotechnol. Bioeng. 38: 518–527.
5. Qureshi, N. et al., 1992: Application of Continuous Substrate Feeding to the ABE Fermentation: Relief of Product Inhibition Using
Extraction, Perstraction, Stripping,and Pervaporation. Biotechnol. Prog. 8: 382–390.
6. Vane, L. M., 2008: Separation technologies for the recovery and dehydration of alcohols from fermentation broths. Biofuels. Biopr. Bioref. 2:
553–588.
7. Rey, L. et.al., 2010: Fahrt ins Grüne, Kurzfassung der Studie „Future Perspectives of 2nd Generation Biofuels“. Bern.
8. Braun, R. et.al., 2009: Biotreibstoffe – Chancen und Grenzen. Schweizerische Akademie der Technischen Wissenschaften. Zürich.
9. Wagemann, K. et. al. 2012: Roadmap Bioraffinerien. Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV).
Berlin.
10. Jauschnegg, H. et.al., 2012: Wärme. Strom. Treibstoffe – Bioenergie 2020. Österreichischer Biomasse-Verband. Wien.