Lignocellulose-Bioraffinerie

Ein Schwerpunkt im Bereich der Rohstoffaufbereitung liegt auf dem Aufschluss von lignocellulosehaltigen Rohstoffen und deren Fraktionierung in ihre chemischen Grundbestandteile Lignin und Zucker bzw. Faserstoffe.

Zur Erforschung und Entwicklung von Aufarbeitungs- und Fraktionierungstechnologien steht eine eigens entwickelte integrierte Pilotanlage zur Verfügung, die den Aufschluss mit organischen Lösungsmitteln unter erhöhten Drücken und Temperaturen, der sogenannten Organosolv-Technologie, ermöglicht.

© Fraunhofer CBP
In unserer Pilotanlage kann der Aufschluss verschiedener lignocellulosehaltiger Rohstoffe und deren Fraktionierung in ihre chemischen Grundbestandteile Lignin und Zucker bzw. Faserstoffe untersucht und optimiert werden.

Pilotanlage zum Aufschluss von Lignocellulose

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

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

Organsolv-Aufschluss und Produkte

Die Pilotanlage beinhaltet einen Kocher zur Trennung des Zellstoffs von Lignin und Hemicellulose. Die flüssige Phase wird mittels eines patentierten Destillationsverfahren behandelt, um das Lignin auszufällen.

Das gewonnene Organosolv-Lignin besitzt hochwertige Eigenschaften, weshalb es sich unter anderem für Anwendungen in Pharmazie oder Kosmetik eignen könnte.

Die übrige Hemicellulose-Lösung kann mittels Hydrolyse weiterverarbeitet und die entstehende Zuckerlösung durch Verdampfung aufkonzentriert werden, um in der Fermentation als Nährstoff für Mikroorganismen oder als Rohstoff für Biokraftstoffe genutzt zu werden.

Optimierung weiterer Aufschlussverfahren durch 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.

Bilanzierung und Nutzung einzelner Prozessmodule

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. Diese Verfahren finden Sie unter »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

Prozessführung der Pilotanlage zum Lignocellulose-Aufschluss

Die Kernprozesse, welche in der Pilotanlage abgebildet werden können, sind auf dem vereinfachten Anlagenschema am Beispiel des Organosolv-Prozesses gezeigt. Hier wird Ethanol als Lösungsmittel für den Aufschluss eingesetzt.

  • 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 (z. B. Ethanol) ausgefällt, abfiltriert und nach einer Wäsche getrocknet.
  • Aus dem Filtrat wird das eingesetzte Lösungsmittel (z. B. Ethanol) 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.
Vereinfachtes Fließbild der Lignocellulose-Bioraffinerie Pilotanlage in Leuna.

Mit der erfolgreichen Übertragung des Organosolv-Aufschlusses in den Pilotmaßstab konnte in der zweiten Phase des vom BMEL geförderten Verbundvorhabens »Lignocellulose-Bioraffinerie« demonstriert werden, dass die chemische Nutzung von Holz nach dem Konzept einer Bioraffinerie im technischen Maßstab funktioniert.

Die Pilotanlage wird  im Rahmen internationaler und nationaler Forschungsprojekte genutzt, um das Verfahren weiter zu optimieren, die gewonnenen Zwischenprodukte in verschiedene Wertschöpfungsketten zu integrieren und letztendlich die industrielle Umsetzung der Technologie vorzubereiten.

Video zur Lignocellulose-Bioraffinerie

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

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.

Weitere Informationen zur Nutzung von Lignin

Produktblatt »Organosolv lignin«

(Englisch)

Produktblatt »Continuous separation of lignin from Organosolv pulping liquors«

(Englisch)

Chemische Verfahren zur stofflichen Nutzung von Lignin

Referenzprojekte