Innovative Verfahrenskombination zum Downstream Processing von Biobutanol

Im Rahmen des Projekts „Innovative Verfahrenskombination zum Downstream Processing von Biobutanol“ (FKZ 22001414) soll in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart die fermentative Biobutanol-Herstellung untersucht und optimiert werden. Im Fokus steht dabei die ressourcenschonende Aufbereitung von fermentativ gewonnenem Biobutanol aus landwirtschaftlichen Reststoffen mit dem Ziel der wirtschaftlichen Produktion eines regenerativen Kraftstoffs.

Fermenter im Technikumsmaßstab

Ungeachtet der Zielkonflikte zwischen Biokraftstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen und dem Nahrungsmittelanbau, wird es langfristig unumgänglich sein, fossile Kraftstoffe durch erneuerbare Energieträger zu ersetzten. Der Durchbruch der Biokraftstoffe ist neben den ökonomischen Faktoren von den CO2- und Energiebilanzen abhängig. Diese müssen für fermentativ hergestellte Kraftstoffe der 2. Generation wie Ethanol oder Butanol noch deutlich verbessert werden, damit sie wettbewerbsfähig und umweltverträglich werden. Die Verwendung von Butanol als Kraftstoff weist im Vergleich zu anderen Biokraftstoffen wie bspw. Ethanol viele Vorteile auf, u.a.

  • die zum Ottokraftstoff ähnliche Oktanzahl und Energiedichte, welche nur zu einer geringen Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs führen.
  • Butanol ist aufgrund des höheren Energiegehaltes, eines niedrigeren Dampfdrucks und eines höheren Flammpunkts leistungsfähiger als Ethanol.
  • Es kann daher in der bereits existierenden Infrastruktur für Mineralölprodukte wie Lagertanks, Pipelines und Tankstellenzapfsäulen genutzt werden.
  • Butanol kann Ottokraftstoffen in höheren Anteilen beigemischt werden als Ethanol - nach derzeitigen europäischen Vorgaben sind zukünftig bis zu 15 Vol.-% zulässig. Ethanol darf im Gegensatz dazu mit maximal 10 Vol.-% zugegeben werden.
  • Die geringe Löslichkeit von Butanol in Wasser bzw. Wasser in Butanol reduziert bei Leckagen die Gefahr der Ausbreitung im Grundwasser und eröffnet neue Möglichkeiten der Aufarbeitung wässriger Butanollösungen.

Das Downstream Processing während des Produktionsprozesses ist insbesondere bei Bioalkoholen ein energie- und kostenintensiver Schritt und wird aktuell meist mittels Rektifikation durchgeführt. Um den Biokraftstoffen der 2. Generation, insbesondere Butanol, den Durchbruch am Markt zu ermöglichen, soll im Rahmen des Projekts für diesen Schritt ein neues und effizienteres Verfahren entwickelt werden. Der neu zu entwickelnde Ansatz besteht aus der Kombination eines in situ-Gasstrippings, bei dem ein aufgereinigtes Wasser-Butanol-Gemisch gewonnen wird, und einer Vorwärtsosmoseeinheit, in der das Butanol zunächst aufkonzentriert und nach einer Phasentrennung abgeschieden wird. Zunächst liegt die Entwicklung einer Betriebsführungsstrategie zum ressourceneffizienten Gasstripping in Fermentationsbrühen im Fokus, da bisher keine Studien zur Auslegung der Gasstrippingeinheit in der fermentativen Herstellung von Alkohol unter Betrachtung des Stofftransports, insbesondere unter Verwendung feststoffhaltiger Brühen, existieren.

Funktionsprinzip der Vorwärtsosmose; auf der rechten Seite der Produktstrom, auf der linken die hochmolare Lösung (hier NaCl)

Als zweiter Prozessschritt schließt sich die Implementierung einer Vorwärtsosmoseeinheit an, deren Funktionsprinzip in dem Ausnutzen des osmotischen Potentials zwischen Primärproduktstrom und einer höhermolaren wässrigen Lösung besteht. Der Primärproduktstrom aus dem Gasstripping wird hierzu über eine semipermeable Membran mit einer höhermolaren Lösung (Salzlösung, z.B. Nährsalz, Fermentationsbrühe) drucklos in Kontakt gebracht. Infolge des osmotischen Gefälles wird ein Transmembranfluss des in dem Primärproduktstrom enthaltenen Wassers in die Salzlösung erzwungen, wodurch der Wassergehalt in dem Primärproduktstrom sinkt. Bei Überschreiten einer kritischen Konzentration findet eine Phasentrennung der organischen von der wässrigen Phase statt. Für reines Butanol liegt diese etwa bei c > 9 Vol.-% Butanol. Die organische Phase kann anschließend über einen Separator abgetrennt werden.

Beispiel für eine erreichte Phasentrennung

Durch den Einsatz des neuen Ansatzes des Gasstrippings in Kombination mit dem osmosegetriebenen Membranverfahren, kann ein günstigeres Prozessdesign erreicht werden, das eine Entwässerung des Produktstromes ohne nennenswerte thermische Energieaufwendung erlaubt und den sonst hinderlichen azeotropen Punkt der Mischung umgeht.

Im Rahmen des BMU-Förderprogramms „Energetische Biomassenutzung“ hat das IUV bereits umfassendes Wissen über Vorwärtsosmoseprozesse generieren können. Im Vorhaben „Optimierung des Downstream Processing innerhalb der fermentativen Herstellung von Biokraftstoffen“ (FKZ 03KB030) wurde das Verfahren der Vorwärtsosmose erstmals zu Aufkonzentrierung von Butanol eingesetzt. Das Proof-of-Principle des innovativen Verfahrens konnte hierbei erbracht werden. Nun soll während des aktuellen Förderprojekts der vollständige Biobutanol-Herstellungsprozess adressiert werden.

Projektlaufzeit: 01.03.2015 - 31.08.2017

Ansprechpartner: Jan Iseler, Stefan Kurtz

Gefördert vom
Projektträger
Projektpartner
Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft
FNR-Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.
Fraunhofer-IGB