Forschung
Die Erweiterung einer Biogasanlage um eine Säureproduktionsstufe ist für die Biogasbranche neu. Das CapUp-Vorhaben basiert auf dem bereits entwickelten Capraferm®-Verfahren, mit dem Carbonsäuren aus Biomasse gewonnen werden können.
Mittelkettige Carbonsäuren wie Capron- und Caprylsäure sind wertvolle Spezialchemikalien, die sehr vielseitig einsetzbar sind, etwa im Schmiermittelsektor, in Pharmaka, Kosmetika, Futter- oder Lebensmitteln. Derzeit werden sie vor allem aus Palmkern- und Kokosöl gewonnen, in denen sie jedoch nur in geringer Konzentration enthalten sind. Umweltfreundlicher ist die alternative Herstellungsweise mittels anaerober Fermentation von regional anfallenden, biogenen Reststoffen (z. B. agroindustrielle Abfälle).
Die Biomasse wird nicht vollständig zu Carbonsäuren umgesetzt, sodass aus der verbleibenden Organik weiterhin Biogas als Energieträger hergestellt werden kann. Zudem lassen sich Nährstoffe aus den Gärresten wieder ausbringen und so Stoffkreisläufe schließen (Kreislaufwirtschaft). Durch die Integration der Chemikalienproduktion in bestehende Biogasanlagen kann also eine zusätzliche Wertschöpfung erfolgen.
Übergeordnetes Ziel des Projektes ist es, die gesamte Verfahrenskette des Bioraffinerie-Verfahrens zur Produktion von Chemikalien, Biogas und Dünger zu skalieren und zu demonstrieren.
Die für die anaerobe Fermentation verwendeten Bioreaktor-Typen ähneln denen von Biogasverfahren, jedoch ist eine intensivere und aufwändigere Prozessregelung notwendig, um die mikrobielle Gemeinschaft in ihrer Zusammensetzung und Aktivität zu kontrollieren und damit den Prozess in Richtung der gewünschten Produkte zu steuern. Als Ausgangsstoffe können unterschiedliche Biomassen ohne kostenintensive Vorbehandlung eingesetzt werden.
Bei CapUp wird die Fermentation in zwei 120-Liter-Rührkessel-Fermentern durchgeführt. Zur Fermentation wird silierter Obsttrester der Firma Sachsenobst als Substrat eingesetzt. Der Prozess wird auf Stabilität und Produktausbeute hin analysiert. Außerdem wird das hydrodynamische Verhalten der Fermentationsbrühe und die Effektivität der mikrobiellen Kettenverlängerung in den Reaktoren bei diesem Maßstab beobachtet. Schließlich wird die Capron- und Caprylsäure-Produktion mit dem Downstreaming gekoppelt.
Die Durchführung des Fermentationsprozesses, Analyse und Anpassungen erfolgen am UFZ unter der Leitung von Dr. Heike Sträuber.
In Vorarbeiten wurde am DBFZ eine Aufreinigungskaskade entwickelt, welche auf den Einsatz etablierter Trenntechnik, bestehend aus Filterpresse, Membranfiltration und Flüssig-Flüssig-Extraktion setzt. Die Downstream-Kaskade zur Abtrennung der Produkte aus der Fermentationsbrühe wird mit kontinuierlich betreibbaren, industriell einsetzbaren Trennapparaten abgebildet. Alle Trennschritte werden an den Maßstab der Fermentation angepasst.
Bei der Abtrennung der Zielprodukte Capron- und Caprylsäure aus der Fermentationsbrühe fallen Restströme an, die sich ideal für die Produktion von Biogas eignen. Feste Restströme aus der Fest-Flüssig-Trennung bestehen hauptsächlich aus unvergorenen Substratbestandteilen, die im Biogasprozess in Methan umgewandelt werden können. Wässrige Restströme, beispielsweise aus der Flüssig-Flüssig-Extraktion oder der Filtration, enthalten hohe Konzentrationen an kurzkettigen Carbonsäuren, die leicht abbaubare Biogassubstrate darstellen.
Die Aufgaben rund um Abtrennung und Aufreinigung werden am DBFZ bearbeitet unter der Leitung von Maria Braune.
Kontakt: Maria Braune