Rohstoffaufbereitung

Biomasse-Aufschluss und -Fraktionierung

Hauptziel ist es, Prozesse für eine Biomasse-Bioraffinerie am Standort Deutschland als auch europaweit zu etablieren. Im Fokus stehen Holz-Aufschluss- und Fraktionierungsprozesse, alternative Verarbeitungslinien von Ölsaaten sowie deren Skalierung und Überführung in den Pilotmaßstab.

Im Bereich der Biomassefraktionierung entwickeln wir neue Technologien und innovative Verfahren zur Aufarbeitung von Holz und Ölsaaten, um die ganzheitliche Nutzung der Biomasse zu ermöglichen, die Wertschöpfung zu erhöhen und hochpreisige Endprodukte zu erhalten.

Lignocellulose-Bioraffinerie

Pilotanlage Lignocellulose-Fraktionierung
© Fraunhofer CBP/Norbert Michalke
In der Pilotanlage in Leuna wird Holz in die einzelnen Bestandteile zerlegt.

Der Schwerpunkt der Lignocellulose-Bioraffinerie liegt auf dem Aufschluss von Holz als Rohstoff und dessen Fraktionierung in die chemischen Grundbestandteile Lignin und Zucker bzw. Faserstoffe. Zur Erforschung und Entwicklung von Aufarbeitungs- und Fraktionierungstechnologien steht eine integrierte Pilotanlage zur Verfügung, die den Aufschluss mit organischen Lösungsmitteln unter Druck und Temperatur, der sogenannten Organosolv-Technologie, ermöglicht.

Integrierte Pilotanlage  

Die Anlage bildet eine Vielzahl einzelner Prozessschritte zur Herstellung von Faserstoffen, konzentrierten Zuckerlösungen und Lignin ab. Bis zu 70 kg Holz können täglich verarbeitet werden. Die Anlage wurde so ausgelegt, dass die Stoff- und Energiekreisläufe geschlossen und somit komplett bilanziert werden können.

Universelle Auslegung

Durch die universelle Auslegung der Pilotanlage können neben dem Organosolv-Verfahren auch andere Aufschlussverfahren für Lignocellulose im Pilotmaßstab optimiert werden, so z. B. die wässrige Hydrolyse, der Aufschluss mittels Säure oder das Soda-Verfahren. Für die Bilanzierung der Prozesse steht eine umfangreiche Analytik zur Verfügung. Durch Nutzung einzelner prozesstechnischer Einheiten in der Anlage können auch Fragestellungen im Bereich der thermischen Trenntechnik und Extraktion bearbeitet werden. Hier besteht eine starke Interaktion zum Kompetenzfeld »Produktaufarbeitung«.

Leistungsangebot

Mit unserer flexibel einsetzbaren Pilotanlage und exzellenten Ausstattung für Konversions- und Aufarbeitungsverfahren entwickeln und skalieren wir biotechnologische und chemische Prozesse zur Nutzung der Holzbestandteile bis in anwendungsrelevante Dimensionen und unterstützen vor allem kleine und mittlere Unternehmen bei einer schnelleren Produktentwicklung und Markteinführung.

  • Entwicklung und Pilotierung von Aufschlussprozessen für Lignocellulosen
  • Gewinnung von Lignocellulose-Inhaltsstoffen (Extraktstoffe, Hemicellulose, Lignin, Cellulose) mit spezifischen Eigenschaften
    • Bereitstellung von Organosolv-Lignin für beispielsweise thermoplastische Kunststoffe, Kohlenstofffasern, aber auch kosmetische Anwendungen
    • Oxidation oder basenkatalytische Spaltung von Lignin (u. a. Organosolv-, Kraft-Lignin) zu aromatischen Monomer- und Oligomerbausteinen
    • Bereitstellung von Faserstoff, zum Beispiel zur Erzeugung von Faserverbundwerkstoffen
    • Extraktion weiterer Pflanzeninhaltsstoffe wie Rindenextraktstoffe

Lignocellulose-Aufschluss mit dem Organosolv-Verfahren

Vereinfachtes Fließbild der Lignocellulose-Bioraffinerie Pilotanlage in Leuna.

Prozessführung der Pilotanlage

Die Kernprozesse, welche in der Pilotanlage abgebildet werden können, sind auf dem vereinfachten Anlagenschema gezeigt. Lignocellulose wird zunächst in einem 400-Liter-Reaktor bei bis zu 200 °C aufgeschlossen, wobei sich Lignin und Hemicellulosen im Lösungsmittel-Wasser-Gemisch lösen. Die zusätzlichen Tanks und Wärmetauscher der »Tankfarm« ermöglichen dabei eine effiziente Verdrängungswäsche des Aufschlussgutes bei Reaktionsbedingungen und die Rückgewinnung von Energie beim Aufschlussprozess. Aus der mit Lignin und Hemicellulosen angereicherten Aufschlusslösung wird Lignin durch Zugabe von Wasser oder Destillation des Lösungsmittels ausgefällt, abfiltriert und nach einer Wäsche getrocknet. Aus dem Filtrat wird das eingesetzte Lösungsmittel vollständig zurückgewonnen und es verbleiben die Hemicellulosen-Zucker. Der feste, faserige Rückstand des Aufschlusses wird vereinzelt und gewaschen, entwässert sowie im Bedarfsfall mit Enzymen versetzt und in speziell ausgelegten Rührreaktoren bei hoher Faserstoffkonzentration verzuckert. Nach einem Filtrationsschritt erhält man eine Glucoselösung, die zur Stabilisierung zu einem Sirup konzentriert wird.

Wie die Aufbereitung von Holz am Fraunhofer CBP funktioniert und welche Produkte dabei hergestellt werden können, zeigt das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) beauftragte Video.

Datenschutz und Datenverarbeitung

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»Raffinierte Chemie aus Holz«, Quelle: bioökonomie.de

Ölsaaten-Bioraffinerie

Die Ölsaaten-Bioraffinerie am Fraunhofer CBP zielt auf die Entwicklung und Optimierung alternativer Verfahren zur Aufarbeitung von Ölsaaten ab. Dabei sollen neue Verfahren eine ganzheitliche Verwertung der Rohstoffe ermöglichen und höherwertige Produktfraktionen im Vergleich zur konventionellen industriellen Verarbeitung bereitstellen. Neben der Herstellung hochwertiger pflanzlicher Öle trägt insbesondere die Aufarbeitung proteinreicher Fraktionen zur Erhöhung der Wertschöpfung bei. Darüber hinaus werden mit alternativen Extraktionsverfahren weitere wertvolle pflanzliche Inhaltsstoffe aus Ölsaaten gewonnen.

Neue Prozesse zur Verarbeitung von Ölsaaten werden am Fraunhofer CBP vom Labor- in den Pilotmaßstab überführt. Dafür stehen am Standort verschiedene Anlagen zur Verfügung. Ab 2020 werden die Pilotanlagen zur Schälung und ethanolischen Extraktion von Rapssaat in Betrieb genommen. Im Rahmen einer Raps-Bioraffinerie wird dabei die Demonstration eines neuen Prozesses von der Schälung der Saat über den anschließenden Aufschluss bis hin zur Aufarbeitung wertvoller pflanzlicher Produktfraktionen etabliert.

Durch die flexible Auslegung der Pilotanlagen können verschiedene Verfahren zur Verarbeitung von Ölsaaten getestet und optimiert werden. Im Fokus steht dabei die zukünftige Integration alternativer Verarbeitungslinien von Ölsaaten in die vorhandene Infrastruktur bestehender Ölmühlen. Durch die Entwicklung neuartiger Prozesses ergibt sich neben neuen Produkten zusätzlich das Potenzial zur weltweiten Vermarktung innovativer Verfahren und Anlagen.