Bioraffinerie-Modul zum gerichtet fermentativen Aufschluss von Biomasse für eine kombinierte energetische und stoffliche Verwertung (FABES)

Im Rahmen der BMBF-Förderinitiative BioEnergie 2021wurde ein Verbund gegründet, welcher das Ziel verfolgt, unterschiedliche Wege energetischer und stofflicher Nutzung von Biomasse modular und flexibel zu kombinieren. Der FABES-Verbund erforscht die Grundlagen für ein innovatives Bioraffinerie-Energie-Modul, welches durch eine große Flexibilität bei den Ausgangsstoffen und die wahlweise stoffliche oder energetische Nutzung der Zwischenprodukte zu einem zentralen Baustein für zukünftige Bioraffinerie-Konzepte zu entwickeln ist. Das Kunstwort  FABES steht in diesem Rahmen für den „Fermentativen Aufschluss von Biomasse für Energetische und Stoffliche Verwertung“.    

Zielsetzung:

Das übergreifende Ziel lautet: Steigerung des Nettoenergieertrages pro Flächeneinheit durch Nutzung von Reststoffen in Verbindung mit effizienter Umwandlung der Biomasse

Ziel des Forschungsprojektes ist es, die Gesamteffizienz der fermentativen Methangewinnung zu erhöhen und mit einem gerichteten fermentativen Aufschluss gezielt organische Säuren oder lignocellulolytische Fasern für die stoffliche Nutzung bereit zu stellen. Dieser höchstmögliche Aufschluss soll durch eine Enzym-optimierte Hydrolyse gewährleistet werden. Desweiteren soll durch eine spezifische Verfahrenstechnik die Möglichkeit geschaffen werden, Intermediate (Säuren und Fasern)  abzutrennen und diese stofflich zu verwerten. Diese Intermediate sollen im Festbettreaktor zu Biogas mit einem Mindest-Methangehalt von 75 % konvergiert werden.

Material und Methoden:

Der Forschungsverbund hat die Aufgabe ein Bioraffinerie-Modul zu entwickeln, dass sowohl allein stehend, jedoch in erster Linie eingebunden in eine Bioraffinerie, zur Energie- und Rohstoffproduktion dient. Die Aufgabe des Teilprojektes „Verfahrenstechnik“ besteht dabei im Wesentlichen im Aufbau eines Modulprüfstandes, der verfahrenstechnischen Entwicklung und Kombination der drei Komponenten sowie der Entwicklung einer geeigneten Mess-, Steuer- und Regelungstechnik. Außerdem definiert das Teilprojekt in Abstimmung mit den Forschungspartnern die Modellsubstrate.

In einem Labor der Uni Hohenheim entsteht zurzeit eine zwei-phasige Versuchsanlage im Labormaßstab, in welcher flexible Substrate eingesetzt werden können. Dieser neue Anlagentyp besteht aus 3 Behältern und ermöglicht dadurch eine verfahrenstechnische Trennung des Gärungsprozesses von der Methanogenese. Auf diese Weise kann der Gesamtprozess optimiert werden. In einem 100l-Primär-Gärfermenter wird pro Tag 1kg organische Trockenmasse der Modellsubstrate vergoren. In einem zweiten Behälter findet das so genannte Bio-Leaching statt. Es dient dazu die beiden biologischen Vorgänge „Hydrolyse und Methanogenese“ strikt voneinander zu trennen. Beim Bio-Leaching werden die Säuren und löslichen Zucker aus den nicht abgebauten lignocellulolytischen Fasern „ ausgewaschen“ (Festflüssigtrennung). Ausschließlich diese gelösten Intermediate werden in einen Methan-Reaktor von 50l überführt. In diesem dritten Behälter soll aus den organischen Säuren Biogas mit einem Methananteil von ca. 75 % gewonnen werden. Der Methangehalt des Biogases könnte damit bis zu 40 % höher sein als in bisherigen einphasigen Anlagen. Zusätzlich ergeben sich kürzere Verfahrenszeiten, da die Substrate in der Hydrolyse nur noch drei Wochen statt wie bisher knapp drei Monate gären.

Beteiligte Einrichtungen des Forschungsverbundes

–        Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie

–        IASP an der Humboldt-Universität, Berlin

–        ILT an der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft, Freising

–        ATB an dem Leibniz-Institut für Agrartechnik, Potsdam-Bornim e.V.

–        G-CSC an der J.W. Goethe-Universität, Frankfurt am Main

–        BIOPRACT GmbH, Berlin

–        PILZHOF Dr. SCHULZ, Werneuchen

–        AVAT Automation GmbH, Tübingen