Die Bioraffinerie
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Starte Kapitel 1
Herkunft und Nachhaltigkeit
Starte Kapitel 3
Das biologische Herz der Bioraffinerie
Starte Einführung
Was ist eine Bioraffinerie?
Starte Kapitel 4
Produktvielfalt für die Bioökonomie
Starte Kapitel 2
Hacken, lösen, verzuckern
Intro
Einleitung
Willkommen zu unserer Multimedia-Story "Entdeckungstour durch eine Bioraffinerie".
Bevor die Entdeckungsreise beginnt, gibt es hier eine kurze Einführung dazu, was eine Bioraffinerie überhaupt genau ist. Was unterscheidet sie von herkömmlichen Erdölraffinerien und was hat sie mit diesen gemeinsam? Welche Vorteile bringen Bioraffinerien mit sich und wieso sind sie wichtig für eine nachhaltige Bioökonomie?
Mit dem Mausrad kannst Du ganz einfach zwischen den Seiten hin- und herscrollen.
Bevor die Entdeckungsreise beginnt, gibt es hier eine kurze Einführung dazu, was eine Bioraffinerie überhaupt genau ist. Was unterscheidet sie von herkömmlichen Erdölraffinerien und was hat sie mit diesen gemeinsam? Welche Vorteile bringen Bioraffinerien mit sich und wieso sind sie wichtig für eine nachhaltige Bioökonomie?
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Biofabriken der Zukunft
Bioraffinerien sind nachhaltige Fabriken der Zukunft: Sie können dabei helfen, aus Reststoffen wichtige Chemikalien herzustellen und dadurch Rohstoffkreisläufe zu schließen.
Dabei nutzen sie biologische Prozesse – sowohl für die Aufspaltung der Biomasse, als auch für den Aufbau neuer Produkte aus den gewonnenen biologischen Bausteinen.
Konkret bedeutet dies, dass Mikroorganismen oder ihre Enzyme zum Einsatz kommen und herkömmliche Prozesse aus der fossilen Industrie ersetzen und ganz neue Produkte ermöglichen.
(Paul Cheranev / shutterstock)
Dabei nutzen sie biologische Prozesse – sowohl für die Aufspaltung der Biomasse, als auch für den Aufbau neuer Produkte aus den gewonnenen biologischen Bausteinen.
Konkret bedeutet dies, dass Mikroorganismen oder ihre Enzyme zum Einsatz kommen und herkömmliche Prozesse aus der fossilen Industrie ersetzen und ganz neue Produkte ermöglichen.
(Paul Cheranev / shutterstock)
Die Forschung dahinter
Dr. Gerd Unkelbach war Leiter des Fraunhofer CBP in Leuna und Koordinator des Geschäftsfelds Nachhaltige Chemie am Fraunhofer IGB
.
Er erklärt, wie Bioraffinerien grundsätzlich funktionieren. Fünf Typen von Bioraffinerien unterscheidet man anhand der Ausgangsstoffe, die in ihnen verwertet werden:
Er erklärt, wie Bioraffinerien grundsätzlich funktionieren. Fünf Typen von Bioraffinerien unterscheidet man anhand der Ausgangsstoffe, die in ihnen verwertet werden:
- Zucker-
- Pflanzenöl-
- Synthesegas-
- Biogas-
- Lignocellulose-Bioraffinerien
Lignocellulose-Bioraffinerie
In dieser Multimedia-Story geht es um die Nutzung von verholzter Biomasse in sog. Lignocellulose-Bioraffinerien.
Illustrationen, Videos, Erklärungen von Forschenden und interaktive Elemente geben einen Überblick über nachhaltige Quellen von Biomasse, die einzelnen Schritte und Funktionen sowie die Produkte einer Lignocellulose-Bioraffinerie.
Auf diesem Foto ist eine kürzlich fertiggestellte Bioraffinerie dieser Art im rumänischen Podari zu sehen. Sie wird von der Firma Clariant betrieben und stellt aus Stroh biobasierte Chemikalien her.
Illustrationen, Videos, Erklärungen von Forschenden und interaktive Elemente geben einen Überblick über nachhaltige Quellen von Biomasse, die einzelnen Schritte und Funktionen sowie die Produkte einer Lignocellulose-Bioraffinerie.
Auf diesem Foto ist eine kürzlich fertiggestellte Bioraffinerie dieser Art im rumänischen Podari zu sehen. Sie wird von der Firma Clariant betrieben und stellt aus Stroh biobasierte Chemikalien her.
Flug durch eine Pilotanlage
In Leuna betreibt das Fraunhofer CBP eine Pilotanlage, die alle
Komponenten einer Lignocellulose-Bioraffinerie umfasst. Dieser Drohnenflug gibt einen Eindruck von der Anlage.
Einige der Komponenten und die wichtigsten Vorgänge in solchen Bioraffinerien werden in den nächsten Kapiteln erklärt.
Einige der Komponenten und die wichtigsten Vorgänge in solchen Bioraffinerien werden in den nächsten Kapiteln erklärt.
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Und jetzt: viel Spaß beim Entdecken!
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Biomasse
Kapitel 1: Die Biomasse
Die nachhaltige Nutzung von Biomasse ist ein zentraler Baustein der Bioökonomie. Doch Biomasse ist nicht gleich Biomasse: Sie unterscheidet sich stark in Herkunft, Zusammensetzung und der Nachhaltigkeit ihrer Gewinnung.
Diese Multimedia-Story fokussiert verholzte Biomasse, sog. Lignocellulose. Ihre Nutzung steht nicht in direkter Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion. Doch Lignocellulose, das ist nicht nur Holz, wie wir es kennen.
Diese Multimedia-Story fokussiert verholzte Biomasse, sog. Lignocellulose. Ihre Nutzung steht nicht in direkter Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion. Doch Lignocellulose, das ist nicht nur Holz, wie wir es kennen.
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Wald
Rest aus Sägewerken
Stroh
Miscanthus
Aus der AnwendungBiokraftstoffe der zweiten Generation
"Biokraftstoffe der ersten
Generation werden aus der Stärke von Getreide- oder Maiskörnern sowie Zucker
aus Zuckerrohr oder -rübe produziert. Clariant hingegen hat mit dem sunliquid®
Prozess ein Verfahren der zweiten Generation entwickelt, welches landwirtschaftliche
Pflanzenreste in Zelluloseethanol umwandelt. Die als Rohstoff benötigte
Biomasse für den Sunliquid®-Prozess muss also nicht angebaut werden, sondern
fällt als pflanzlicher Reststoff bei der Getreideproduktion an und konkurriert somit nicht mit der Herstellung von Lebensmitteln oder Futtermitteln."
Thomas Hoppe, Head of Operations bei Business Line Biofuels & Derivatives, Clariant
Thomas Hoppe, Head of Operations bei Business Line Biofuels & Derivatives, Clariant
Die Forschung dahinter
Prof. Dr. Daniela Thrän erforscht am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) und am Deutschen Biomasse Forschungszentrum (DBFZ), welche Chancen und Risiken mit der Nutzung von Biomasse für die Energie- und Materialversorgung verbunden sind.
Sie nimmt Technologien, deren Potenziale und Umweltwirkungen sowie die Erwartungen der Gesellschaft unter die Lupe. Sie ist auch Co-Vorsitzende des Bioökonomierats.
Sie nimmt Technologien, deren Potenziale und Umweltwirkungen sowie die Erwartungen der Gesellschaft unter die Lupe. Sie ist auch Co-Vorsitzende des Bioökonomierats.
Die Forschung dahinter
Dr. Alex Giurca forscht am Heidelberg Center for the Environment (HCE) an forstbasierter Bioökonomie. Er interessiert sich dafür, wie wir den Wald gleichzeitig nutzen und schützen können.
Biomasse ist komplex aufgebaut
Biomasse ist ein komplexes Gemisch aus vielen unterschiedlichen, organischen Molekülen. Verholzte Biomasse ist hauptsächlich aus drei Gruppen von sogenannten Polymeren aufgebaut, also langen Ketten einzelner Moleküle:
Cellulose besteht aus aneinander geketteten Glucosemolekülen und bildet die Stützwand von Pflanzen. Sie ist die am häufigsten vorkommende organische Verbindung auf der Erde.
Hemicellulose ist ein Sammelbegriff für verschiedene weitere Polymere, die aus unterschiedlichen Zuckern bestehen.
Lignin sorgt für die Verholzung von Biomasse, indem sie ihr Druckfestigkeit verleiht. Lignin kann riesige Geflechte bilden.
Cellulose besteht aus aneinander geketteten Glucosemolekülen und bildet die Stützwand von Pflanzen. Sie ist die am häufigsten vorkommende organische Verbindung auf der Erde.
Hemicellulose ist ein Sammelbegriff für verschiedene weitere Polymere, die aus unterschiedlichen Zuckern bestehen.
Lignin sorgt für die Verholzung von Biomasse, indem sie ihr Druckfestigkeit verleiht. Lignin kann riesige Geflechte bilden.
Die Forschung dahinter
Bioraffinerien sollen die verschiedenen Komponenten, die in Biomasse enthalten sind, nutzbar machen.
An der Technischen Universität München leitet Prof. Dr. Volker Sieber den Campus Straubing und forscht dort unter anderem daran, technische Prozesse zu entwickeln, mit denen aus Biomasse wichtige Chemikalien hergestellt werden können.
An der Technischen Universität München leitet Prof. Dr. Volker Sieber den Campus Straubing und forscht dort unter anderem daran, technische Prozesse zu entwickeln, mit denen aus Biomasse wichtige Chemikalien hergestellt werden können.
Wie geht es weiter?
Biomasse kann also aus verschiedensten Quellen gewonnen werden und nicht alle sind nachhaltig.
Verholzte Biomasse fällt jedoch in der Land- und Forstwirtschaft an und kann auf Flächen angebaut werden, die für den Anbau von Lebensmitteln nicht in Frage kommen.
Bevor man sie jedoch für die biobasierte Produktion in Bioraffinerien nutzen kann, muss sie entsprechend vorbereitet werden. Darum geht es im nächsten Kapitel.
Verholzte Biomasse fällt jedoch in der Land- und Forstwirtschaft an und kann auf Flächen angebaut werden, die für den Anbau von Lebensmitteln nicht in Frage kommen.
Bevor man sie jedoch für die biobasierte Produktion in Bioraffinerien nutzen kann, muss sie entsprechend vorbereitet werden. Darum geht es im nächsten Kapitel.
Vorbereitung der Biomasse
Kapitel 2: Vorbereitung
Bei verholzter Biomasse handelt es sich nicht um ein gleichförmiges Material.
Es ist aus vielen unterschiedlichen Komponenten aufgebaut. Diese organischen Moleküle sind miteinander verbunden und bilden das, was wir als Holz kennen.
Für die Verarbeitung in Bioraffinerien stellt diese Komplexität eine Herausforderung dar. Denn ein bestimmtes, reines Produkt lässt sich am einfachsten aus einem einzelnen Ausgangsstoff herstellen.
Dieses Kapitel gibt einen Einblick in die Vorbereitung der verholzten Biomasse für die weitere Verarbeitung.
Es ist aus vielen unterschiedlichen Komponenten aufgebaut. Diese organischen Moleküle sind miteinander verbunden und bilden das, was wir als Holz kennen.
Für die Verarbeitung in Bioraffinerien stellt diese Komplexität eine Herausforderung dar. Denn ein bestimmtes, reines Produkt lässt sich am einfachsten aus einem einzelnen Ausgangsstoff herstellen.
Dieses Kapitel gibt einen Einblick in die Vorbereitung der verholzten Biomasse für die weitere Verarbeitung.
Die Forschung dahinterDer Aufbau verholzter Biomasse
Dr. Christine Rasche ist Leiterin des Innovationsfeldes Regenerative Ressourcen am
Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP. Sie erklärt, wie verholzte Biomasse aufgebaut ist.
Zerkleinerung
Für den weiteren Aufschluss der Biomasse müssen grobe Teile zunächst zerkleinert werden.
Scrolle weiter, um die Holzreste zu zerkleinern!
Scrolle weiter, um die Holzreste zu zerkleinern!
Zerkleinerung
...sehr gut, noch ein bisschen mehr!
Zerkleinerung
Das sollte ausreichen. Die verholzte Biomasse ist nun zerkleinert und bereit für den nächsten Schritt.
Die Forschung dahinterTrennung von Cellulose, Hemicellulose und Lignin
Dr. Christine Rasche forscht am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP und ist Leiterin des Innovationsfelds Regenerative Ressourcen. Sie erklärt, wie die Auftrennung verholzter Biomasse funktioniert.
Lignin im Fokus
Ligninmoleküle lagern sich zu großen, komplexen Strukturen zusammen. Verholzte Pflanzen bestehen in ihrer Trockenmasse aus bis zu 30% Lignin. Es gehört zu den häufigsten organischen Verbindungen auf der Erde.
Das gewonnene Lignin wird in vielen Anlagen als Brennstoff dazu genutzt, einen Teil des Energiebedarfes der Anlage zu decken. Doch aus dem komplexen biobasierten Rohstoff können inzwischen durch innovative Verfahren auch viele interessante Produkte hergestellt werden.
Das gewonnene Lignin wird in vielen Anlagen als Brennstoff dazu genutzt, einen Teil des Energiebedarfes der Anlage zu decken. Doch aus dem komplexen biobasierten Rohstoff können inzwischen durch innovative Verfahren auch viele interessante Produkte hergestellt werden.
Die Forschung dahinterLignin als wertvoller Rohstoff
Dr. Christine Rasche (Fraunhofer CBP) hat sich unter anderem auf die Gewinnung und Weiterverarbeitung von Lignin spezialisiert.
Cellulose und Hemicellulose
Doch wie geht es mit Cellulose und Hemicellulose weiter?
Diese großen Moleküle werden auch Mehrfachzucker oder Polysaccharide genannt. Sie müssen in einem weiteren Schritt noch in ihre einzelnen Bausteine aufgespalten werden – in unterschiedliche Arten von Zucker. Denn die meisten Mikroorganismen, die in Bioraffinerien Verwendung finden, bevorzugen als Nahrungsquelle einzelne und ganz bestimmte Zucker.
Diese großen Moleküle werden auch Mehrfachzucker oder Polysaccharide genannt. Sie müssen in einem weiteren Schritt noch in ihre einzelnen Bausteine aufgespalten werden – in unterschiedliche Arten von Zucker. Denn die meisten Mikroorganismen, die in Bioraffinerien Verwendung finden, bevorzugen als Nahrungsquelle einzelne und ganz bestimmte Zucker.
Vorher/Nacher Ansicht
Verzuckerung
Cellulose und Hemicellulose sind lange Ketten einzelner Zucker. Während das bei Cellulose ausschließlich Glucose ist, gibt es zahlreiche andere Arten von Zucker, die in Form von Hemicellulose auftreten: Arabinose, Xylose, Galactose und Mannose sind einige davon.
Diese biologische Vielfalt an Zuckermolekülen ist ein Schatz und gleichzeitig eine Herausforderung.
Für die weiteren Schritte müssen die Zucker zunächst voneinander getrennt werden. Dies übernehmen bestimmte Enzyme in einem Vorgang, den man Verzuckerung nennt.
(Klicke unten auf Start, um die Vorher/Nachher-Funktion zu aktivieren.)
Diese biologische Vielfalt an Zuckermolekülen ist ein Schatz und gleichzeitig eine Herausforderung.
Für die weiteren Schritte müssen die Zucker zunächst voneinander getrennt werden. Dies übernehmen bestimmte Enzyme in einem Vorgang, den man Verzuckerung nennt.
(Klicke unten auf Start, um die Vorher/Nachher-Funktion zu aktivieren.)
Wie geht es weiter?
Nun, da die Biomasse in ihre einzelnen Bausteine zerlegt wurde, ist sie bereit für die biologische Aufwertung hin zu spannenden Produkten.
Wie das funktioniert, erfahrt ihr im nächsten Kapitel.
Wie das funktioniert, erfahrt ihr im nächsten Kapitel.
Bioreaktor
Kapitel 3: Im Bioreaktor
Der Bioreaktor ist das biologische Herz einer Bioraffinerie. Er stellt eine abgeschlossene Umwelt dar, die perfekt auf die Mikroorganismen abgestimmt ist, die darin leben sollen.
Die Umwandlung von Stoffen durch Mikroorganismen, bzw. durch ihre Enzyme, nennt man Fermentation. Deshalb wird ein Bioreaktor auch oft als Fermenter bezeichnet.
Auf den folgenden Seiten wollen wir in das Innere eines Bioreaktors schauen und verstehen, wie er grob aufgebaut ist und welche die wichtigsten Funktionen sind.
Die Umwandlung von Stoffen durch Mikroorganismen, bzw. durch ihre Enzyme, nennt man Fermentation. Deshalb wird ein Bioreaktor auch oft als Fermenter bezeichnet.
Auf den folgenden Seiten wollen wir in das Innere eines Bioreaktors schauen und verstehen, wie er grob aufgebaut ist und welche die wichtigsten Funktionen sind.
Aufbau eines BioreaktorsDie Mischung macht´s
In einem Bioreaktor sollen an allen Stellen möglichst gleichförmige Bedingungen herrschen. So wachsen und arbeiten die Mikroorganismen auch gleichmäßiger und sind mit allem versorgt, was sie dafür brauchen: zum Beispiel die optimale Temperatur und die richtige Menge Sauerstoff.
Auch der zugeführte Zucker, also das Futter der Mikroorganismen, soll gut durchmischt sein, damit er bestmöglich umgewandelt werden kann.
In einer modernen Bioraffinerie überwachen Sensoren die Konzentration von gewollten und ungewollten Substanzen in der Flüssigkeit in Echtzeit. Auch dafür ist eine gute Durchmischung wichtig.
Auch der zugeführte Zucker, also das Futter der Mikroorganismen, soll gut durchmischt sein, damit er bestmöglich umgewandelt werden kann.
In einer modernen Bioraffinerie überwachen Sensoren die Konzentration von gewollten und ungewollten Substanzen in der Flüssigkeit in Echtzeit. Auch dafür ist eine gute Durchmischung wichtig.
Aufbau eines BioreaktorsDas Medium
Gefüllt ist ein Bioreaktor mit einem Nährmedium. Dieses enthält alles, was die Mikroorganismen zum Leben brauchen. Dazu gehört zum Beispiel eine Stickstoffquelle, das richtige Verhältnis von Säuren zu Basen (pH-Wert) und einiges mehr.
Diesem Medium wird dann der vorbereitete Ausgangsstoff (z. B. Zucker) zugemischt, damit die Mikroorganismen ihre Arbeit verrichten können.
Diesem Medium wird dann der vorbereitete Ausgangsstoff (z. B. Zucker) zugemischt, damit die Mikroorganismen ihre Arbeit verrichten können.
Aufbau eines BioreaktorsBelüftung mit Sauerstoff
Traditionell läuft Fermentation ohne Sauerstoff ab (anaerob), wie zum Beispiel bei der Herstellung von Joghurt oder Sauerkraut. In Bioraffinerien kommt aber häufig eine sogenannte aerobe Umwandlung zum Einsatz, bei der die Mikroorganismen für ihre Arbeit Sauerstoff brauchen. Dieser wird dann durch das Medium gesprudelt.
Auch in manchen Bioraffinerien findet eine Fermentation ohne Sauerstoff statt. Wenn zum Beispiel Abgase aus Fabriken in Bioreaktoren zu Biokraftstoffen umgewandelt werden sollen.
Auch in manchen Bioraffinerien findet eine Fermentation ohne Sauerstoff statt. Wenn zum Beispiel Abgase aus Fabriken in Bioreaktoren zu Biokraftstoffen umgewandelt werden sollen.
Aufbau eines BioreaktorsDigitale Überwachung
Moderne Bioraffinerien sind natürlich auch mit der neuesten digitalen Technik ausgestattet.
Das Geschehen in einem Bioreaktor kann in Echtzeit beobachtet und gesteuert werden. Sensoren messen beispielsweise die Konzentration des Substrates und des Produktes, um den Prozess der Umwandlung zu optimieren.
Automatisierung, Digitalisierung, Biotechnologie und weitere Disziplinen gehen hier immer mehr Hand in Hand.
Das Geschehen in einem Bioreaktor kann in Echtzeit beobachtet und gesteuert werden. Sensoren messen beispielsweise die Konzentration des Substrates und des Produktes, um den Prozess der Umwandlung zu optimieren.
Automatisierung, Digitalisierung, Biotechnologie und weitere Disziplinen gehen hier immer mehr Hand in Hand.
Wohnen im BioreaktorDie Mikroorganismen
Wenn alle diese Voraussetzungen erfüllt sind, bietet ein Bioreaktor eine passende, künstliche Umwelt für Mikroorganismen. Allerdings gibt es zahlreiche unterschiedliche Arten von Mikroorganismen, weshalb sich auch die optimalen Bedingungen jeweils unterscheiden.
Auf der nächsten Seite sehen wir uns das Leben im Bioreaktor noch etwas genauer an.
(Paul Cheranev / shutterstock)
Auf der nächsten Seite sehen wir uns das Leben im Bioreaktor noch etwas genauer an.
(Paul Cheranev / shutterstock)
Die Forschung dahinter
Dr. Grzegorz Kubik ist Leiter des Innovationsfeldes Industrielle Biotechnologie am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB.
Er erklärt, wie die uralte Methode der Fermentation von der Biotechnologie wiederentdeckt und für die Produktion biobasierter Produkte in Bioraffinerien revolutioniert wird.
Er erklärt, wie die uralte Methode der Fermentation von der Biotechnologie wiederentdeckt und für die Produktion biobasierter Produkte in Bioraffinerien revolutioniert wird.
Zellfreie Systeme
Die eigentliche Arbeit in einem Bioreaktor verrichten letztendlich Enzyme. Das sind spezialisierte Proteine, die einen Ausgangsstoff (Substrat) in ein bestimmtes Produkt umsetzen. In unserem Körper, in Pflanzen und Tieren und auch in Mikroorganismen arbeiten ganze Ketten solcher Enzyme zusammen, um einen komplexen Stoffwechsel zu bilden.
Für die gezielte Produktion in Bioraffinerien werden statt Mikroorganismen inzwischen auch häufig nur genau jene Enzyme verwendet, welche die gewollten Reaktionen durchführen. Sie arbeiten dann ganz ohne Zelle drumherum, in sogenannten "zellfreien Systemen".
Für die gezielte Produktion in Bioraffinerien werden statt Mikroorganismen inzwischen auch häufig nur genau jene Enzyme verwendet, welche die gewollten Reaktionen durchführen. Sie arbeiten dann ganz ohne Zelle drumherum, in sogenannten "zellfreien Systemen".
Die Forschung dahinterZellfreie Systeme
An der Technischen Universität München leitet Prof. Dr. Volker Sieber den Campus Straubing und forscht dort unter anderem daran, technische Prozesse zu entwickeln, mit denen aus Biomasse wichtige Chemikalien hergestellt werden können.
Dabei kommen auch Bioreaktoren mit zellfreien Systemen zum Einsatz.
Dabei kommen auch Bioreaktoren mit zellfreien Systemen zum Einsatz.
Wie geht es weiter?
In Bioreaktoren sind also spezielle Mikroorganismen am Werk, die als Multitalente der Bioökonomie aus Zuckern verschiedene Produkte herstellen können. Alternativ können auch verschiedene Enzym-Teams in zellfreien Systemen arbeiten.
Man macht sich also das durch Forschung immer weiter wachsende Wissen über die Natur zunutze, um gezielter und nachhaltiger zu produzieren.
Welche Produkte dabei entstehen können, darum geht es im nächsten Kapitel.
Man macht sich also das durch Forschung immer weiter wachsende Wissen über die Natur zunutze, um gezielter und nachhaltiger zu produzieren.
Welche Produkte dabei entstehen können, darum geht es im nächsten Kapitel.
Produkte
Kapitel 4: Der Weg zum Produkt
Bioraffinerien funktionieren prinzipiell zwar so wie Erdölraffinerien, aber wir haben schon einige Unterschiede in der konkreten Funktionsweise vorgestellt. Zum Beispiel muss Biomasse anders vorbereitet werden und in einer Bioraffinerie sind Mikroorganismen bzw. deren Enzyme am Werk.
Und auch im Hinblick auf die Verfahren, die für die Herstellung des finalen Produktes nötig sind, gibt es deutliche Unterschiede. Diese resultieren hauptsächlich aus der unterschiedlichen Beschaffenheit des Ausgangsmaterials Biomasse.
Und auch im Hinblick auf die Verfahren, die für die Herstellung des finalen Produktes nötig sind, gibt es deutliche Unterschiede. Diese resultieren hauptsächlich aus der unterschiedlichen Beschaffenheit des Ausgangsmaterials Biomasse.
Produkte einer BioraffinerieDirekte Produkte
Einige Produkte benötigen keine weiteren Zwischenschritte und werden direkt im Bioreaktor produziert. Dazu gehören zum Beispiel Zitronensäure, Aminosäuren und Vitamine.
Diese Stoffe werden isoliert und aufgereinigt und können dann beispielsweise für Futter- oder Lebensmittel verwendet werden.
Diese Stoffe werden isoliert und aufgereinigt und können dann beispielsweise für Futter- oder Lebensmittel verwendet werden.
Produkte einer BioraffineriePlattformchemikalien
Bioraffinerien produzieren größtenteils keine Endprodukte. Vielmehr stellen sie für die weiterverarbeitende Industrie nachhaltig produzierte Zwischenprodukte zur Verfügung, sogenannte Plattformchemikalien.
Aus diesen können ganz unterschiedliche weitere Zwischenprodukte und schließlich Dinge aus unser aller Alltag entstehen.
Aus diesen können ganz unterschiedliche weitere Zwischenprodukte und schließlich Dinge aus unser aller Alltag entstehen.
Die Forschung dahinterVon der Biomasse zum Produkt
Dr. Jörn Viell forscht an der Aachener Verfahrenstechnik (AVT) der RWTH Aachen unter anderem daran, die Produkte von Bioraffinerien zu optimieren.
Eine Herausforderung ist dabei die Beschaffenheit von Biomasse, die sich von Erdöl sehr unterscheidet.
Eine Herausforderung ist dabei die Beschaffenheit von Biomasse, die sich von Erdöl sehr unterscheidet.
Die Forschung dahinterBiotenside
Eines der vielen möglichen Produkte einer Bioraffinerie sind Biotenside.
In diesem Video erklärt Dr.-Ing. Susanne Zibek vom Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, was es mit diesen ganz besonderen biobasierten Chemikalien auf sich hat.
In diesem Video erklärt Dr.-Ing. Susanne Zibek vom Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, was es mit diesen ganz besonderen biobasierten Chemikalien auf sich hat.
Produkte aus Lignin
Erinnerst Du Dich?
In Kapitel 2 wurden Lignin, Cellulose und Hemicellulose voneinander getrennt. Die letzten beiden wurden verzuckert und dann im Bioreaktor weiterverarbeitet. Doch auch aus dem Lignin können durch innovative Verfahren neue Produkte entstehen.
In Kapitel 2 wurden Lignin, Cellulose und Hemicellulose voneinander getrennt. Die letzten beiden wurden verzuckert und dann im Bioreaktor weiterverarbeitet. Doch auch aus dem Lignin können durch innovative Verfahren neue Produkte entstehen.
Die Forschung dahinterProdukte aus Lignin
Dr. Christine Rasche forscht am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP und ist Leiterin des Innovationsfelds Regenerative Ressourcen.
Mit ihre Arbeit verfolgt sie unter anderem das Ziel, aus Lignin hochwertige, biobasierte Produkte zu entwickeln.
Mit ihre Arbeit verfolgt sie unter anderem das Ziel, aus Lignin hochwertige, biobasierte Produkte zu entwickeln.
Mehr NachhaltigkeitBioökonomie und Kreisläufe
Bioraffinerien und andere Technologien können uns helfen, verholzte Biomasse aus Wäldern und von Feldern nachhaltiger zu nutzen und Produkte aus Erdöl zu ersetzen. Biopionier Dr. Alex Giurca teilt seine Vision mit uns.
Ende unserer Entdeckungstour
Hier endet unsere Multimedia-Story "Entdeckungstour durch eine Bioraffinerie"!
Wir freuen uns, wenn Du anderen von dieser Multimedia-Story erzählst, sie in den sozialen Medien teilst und unserer Webseite www.bioökonomie.de mal einen Besuch abstattest. Dort finden sich noch viel mehr Informationen und unterhaltsame Formate rund um das Thema Bioökonomie.
bioökonomie.de und diese Multimedia-Story werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und durch BIOCOM umgesetzt.
Konzeption und Texte: Martin Reich und Philipp Graf, BIOCOM
Illustrationen: Daria Chrobok, DC SciArt
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bioökonomie.de und diese Multimedia-Story werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und durch BIOCOM umgesetzt.
Konzeption und Texte: Martin Reich und Philipp Graf, BIOCOM
Illustrationen: Daria Chrobok, DC SciArt
Wälder als Quelle für Biomasse
Wälder sind für Menschen schon seit Jahrtausenden eine Quelle für Brennstoff, Baumaterial, Zellstoff (Papier) und einiges mehr. In der Vergangenheit und auch heute noch hat eine Übernutzung oder sogar Rodung viele Wälder zerstört. Das ist ein großes Problem, denn Wälder sind nicht nur ein Lebensraum für viele Tierarten, sondern erbringen für uns wichtige Leistungen, u. a. beim Klimaschutz und der Reinigung von Trinkwasser.
Wälder als Quelle für Biomasse
Seit einigen Jahrzehnten nimmt die Waldfläche in Europa wieder zu. Eine nachhaltige Forstwirtschaft kann Holz aus Wäldern nutzbar machen, ohne diesen zu schaden. Doch die Frage ist, wie viel Holz eine solche Forstwirtschaft liefern kann? Es gibt noch weitere Quellen von Lignocellulose, scrolle zurück und entdecke sie.
Reste aus Sägewerken
Bei der Verarbeitung von Baumstämmen zu Schnittholz fällt 40 bis 60% des Holzes als Rest an. Es kommen also große Mengen zusammen.
Diese sog. Sägenebenprodukte werden z. B. für die Herstellung von Spanplatten, Papier oder Holzpellets verarbeitet. Sie können aber auch als Rohstoff für Lignocellulose-Bioraffinerien dienen.
Diese sog. Sägenebenprodukte werden z. B. für die Herstellung von Spanplatten, Papier oder Holzpellets verarbeitet. Sie können aber auch als Rohstoff für Lignocellulose-Bioraffinerien dienen.
Stroh
Bei der Ernte von Getreide für die Produktion von Lebensmitteln bleibt einiges an Biomasse übrig, denn nur die Körner in den Ähren von Weizen und Co. werden zu Mehl verarbeitet. Vor allem die Halme der Pflanzen fallen als Stroh in großen Mengen an. Auch Stroh ist verholzte Biomasse und kann als Rohstoff für Lignocellulose-Bioraffinerien dienen.
Miscanthus
Miscanthus (auch: Chinaschilf) ist ein Gras, das ursprünglich aus Ostasien stammt und dessen Anbau aus mehreren Gründen für die Produktion von Biomasse interessant ist. Erstens wächst es auch auf Standorten, die für den Anbau von Getreide und anderen Nutzpflanzen, aus denen man Lebensmittel herstellt, ungeeignet sind, zum Beispiel auf verschmutzten Böden. Zweitens handelt es sich bei Miscanthus um eine ausdauernde Pflanzenart. Das bedeutet, dass sie nicht jedes Jahr neu ausgesät werden muss, sondern nach dem Schnitt wieder nachwächst. In dieser Zeit muss der Boden nicht bearbeitet, zum Beispiel gepflügt, werden.
Dass sich Miscanthus für die Verarbeitung in einer Lignocellulose-Bioraffinerie eignet, wurde bereits erfolgreich in der Anlage von Clariant in Straubing bei München getestet.
Dass sich Miscanthus für die Verarbeitung in einer Lignocellulose-Bioraffinerie eignet, wurde bereits erfolgreich in der Anlage von Clariant in Straubing bei München getestet.
Cellulose
Mikroorganismen
Pilze
Man kennt es von Spaziergängen im Wald: Pilze wachsen gern in absterbendem Holz. Doch es gibt noch viel mehr Pilzarten, als jene, die uns wegen ihrer Hüte auffallen. Die meisten bilden ein kaum sichtbares Geflecht im Boden und in absterbenden Pflanzenteilen.
Pilze übernehmen damit eine wichtige Aufgabe im Ökosystem, nämlich die Zersetzung der großen Holzmoleküle in kleinere Bestandteile. So werden die in Bäumen gespeicherten Nährstoffe wieder dem natürlichen Kreislauf zugeführt.
Manche Pilze, bzw. ihre Enzyme, sind besonders gut darin, Holz zu zersetzen. Diese Pilzarten sind interessante Kandidaten für Bioraffinerien, in denen Lignocellulose verarbeitet werden soll. Forschende untersuchen deshalb ihre Zellbiologie und Genetik sehr genau, um ihre Funktionen besser zu verstehen und die Pilze für ihren Einsatz in Bioraffinerien zu optimieren.
Pilze übernehmen damit eine wichtige Aufgabe im Ökosystem, nämlich die Zersetzung der großen Holzmoleküle in kleinere Bestandteile. So werden die in Bäumen gespeicherten Nährstoffe wieder dem natürlichen Kreislauf zugeführt.
Manche Pilze, bzw. ihre Enzyme, sind besonders gut darin, Holz zu zersetzen. Diese Pilzarten sind interessante Kandidaten für Bioraffinerien, in denen Lignocellulose verarbeitet werden soll. Forschende untersuchen deshalb ihre Zellbiologie und Genetik sehr genau, um ihre Funktionen besser zu verstehen und die Pilze für ihren Einsatz in Bioraffinerien zu optimieren.
Hefen
Hefen
Hefe ist ein Sammelbegriff für eine zu den Schlauchpilzen gehörende Gruppe von Mikroorganismen. Die am häufigsten verwendete Gattung ist
Saccharomyces cerevisiae, die Brauhefe. Seit Jahrhunderten verwendet man Hefe zum Backen und Bierbrauen. Für Forschende sind Hefen sehr interessante Modellorganismen, mit denen sich viele neue Erkenntnisse gewinnen lassen. Mit neuester Biotechnologie kann man sie auch für Bioraffinerien nutzbar machen, in denen sie dann ganz bestimmte Produkte synthetisieren.
Bakterien
Bakterien
Es gibt unzählige Arten von Bakterien mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften. Viele von ihnen sind noch gar nicht entdeckt oder kaum studiert. Dabei könnten viele von ihnen Eigenschaften haben, die für die Bioökonomie interessant sind. Ein Beispiel für ein bereits sehr gut untersuchtes Bakterium ist Escherichia coli. Sein Genom ist komplett entschlüsselt, weshalb es ein sehr geeignetes Werkzeug der Bioökonomie darstellt. Es gibt aber noch zahlreiche weitere Bakterien, die man teilweise an sehr unwirtlichen Orten der Erde findet, wie zum Beispiel in heißen Schwefelquellen oder am Grund der Tiefsee. Diese Bakterien haben für die Biotechnologie oft ganz besonders spannende Eigenschaften.
bioökonomie.de: Lignin-Bioraffinerien profitabler machen
Die Nutzung der Nebenströme kann mit dem richtigen Aufschlussverfahren wertvolle Zusatzprodukte erzeugen.
bioökonomie.de: Express, Folge 12 – Lignocellulose
In diesem kurzen Erklärvideo werden noch einmal die Struktur der Lignocellulose und ihr Aufschluss übersichtlich beschrieben.
Fraunhofer IGB: Lignocellulose-Bioraffinerie
Auf diesen Seiten wird die Forschung am Fraunhofer IGB genauer beschrieben. Unter anderem der Aufschluss von Biomasse mit speziellen Verfahren.
bioökonomie.de: Preiswertes Bioethanol aus Reststoffen
Forschende der TU München haben mit finnischen Kollegen ein Verfahren entwickelt, um aus Stroh oder Holzresten sowie Ökostrom nachhaltige Kraftstoffe zu produzieren.
bioökonomie.de: Bioökonomie im Alltag
In dieser illustrierten Broschüre finden sich Beispiele von Produkten der Bioökonomie im Alltag.
UPM - Bioraffinerie in Leuna
Die Firma UPM baut in Leuna eine Lignocellulose-Bioraffinerie.
bioökonomie.de: Multimedia-Story Vol.1 - AromenJagd
In unserer ersten Multimedia-Story zu Lebensmitteln der Zukunft wird auch die Präzisionsfermentation und ihre möglichen Anwendungen vorgestellt.
Die BIO-Z Region
Neue Produkte, neue Verfahren und neue Wertschöpfung für die Region: BioZ schmiedet Innovationsbündnisse um Wertschöpfungsketten auf Basis biobasierter Rohstoffe, Koppelprodukte und Nebenerzeugnisse zu entwickeln.
Die Biopioniere - Der Forstillustrator
Der Bioökonom Alex Guirca hat innovative Netzwerke im Forstsektor untersucht, die zu neuen Materialien und Produkten führen, wie Nanozellulose für Autobauteile oder Kleider aus Holz.
bioökonomie.de: Chinaschilf besteht Bioraffinerie-Test
Dass sich Miscanthus für die Verarbeitung in Bioraffinerien eignet, wurde bei Clariant in Straubing bei München erfolgreich getestet.
Erneuerbare Ressourcen
Daniela Thrän erforscht am UFZ und DBFZ, welche Chancen und Risiken mit der Nutzung erneuerbarer Ressourcen für die Energie- und Materialversorgung verbunden sind. Sie nimmt Technologien, deren Potenziale und Umweltwirkungen sowie die Erwartungen der Gesellschaft unter die Lupe.
bioökonomie.de: Mikrobielle Zellfabriken – die Spitzenkräfte der Biotechnologie
Dieses Dossier rückt die winzigen Leistungsträger der industriellen Biotechnologie ins Rampenlicht.
bioökonomie.de: Express, Folge 11 - Fermentation
In diesem kurzen Erklärvideo geht es um verschiedene Arten der Fermentation und ihre Produkte.
NaturFutur - Bioökonomie im Gespräch
Im Begleitprogramm des Ausstellungsprojektes NaturFutur gab es eine Expertenrunde zum Thema Präzisionsfermentation.
bioökonomie.de: Zoom+, Folge 12 - Wenn aus Abgas Rohstoff wird
Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und weiteren Standorten arbeiten Forscher mit Mikroben, die CO2 in biobasierte Stoffe verwandeln können. Biotechnologie könnte damit zum Klimaschutz beitragen.
Am Ende jedes Kapitels finden sich passend zum Thema einige Links zu interessanten Webseiten, Videos und anderen Quellen. Auf der nächsten Seite kommt man zurück zum Hauptmenü.
bioökonomie.de: Finnische UPM baut Bioraffinerie in Leuna
Ein Beispiel für eine Lignocellulose-Bioraffinerie befindet sich in Leuna im Bau. Ende 2022 soll die Produktion beginnen.
Energie aus Stroh
In diesem Video wird das sunliquid-Verfahren von Clariant erklärt, bei dem in einer Bioraffinerie aus Stroh und anderer verholzter Biomasse Ethanol gewonnen wird.
bioökonomie.de: Eine Bioraffinerie für Chicorée-Rüben
Zur Gewinnung der wichtigen Basischemikalie HMF aus der Wurzelrübe der Chicorée-Pflanze haben Hohenheimer Forschende erfolgreich eine Technikumsanlage aufgebaut.
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Biofabriken der Zukunft
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Kapitel 1: Die Biomasse
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Zerkleinerung
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Zerkleinerung
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Gute Vorbereitung ist alles
Lignin im Fokus
Die Forschung dahinter
Cellulose und Hemicellulose
Verzuckerung
Wie geht es weiter?
Kapitel 3: Im Bioreaktor
Aufbau eines Bioreaktors
Aufbau eines Bioreaktors
Aufbau eines Bioreaktors
Aufbau eines Bioreaktors
Entdecke die MIkroorganismen
Die Forschung dahinter
Zellfreie Systeme
Die Forschung dahinter
Wie geht es weiter?
Kapitel 4: Der Weg zum Produkt
Produkte einer Bioraffinerie
Produkte einer Bioraffinerie
Die Forschung dahinter
Plattformchemikalien
Produkte aus Lignin
Die Forschung dahinter
Mehr Nachhaltigkeit
Ende unserer Entdeckungstour
Wälder als Quelle für Biomasse
Reste aus Sägewerken
Stroh
Miscanthus
Pilze
Hefen
Bakterien
