Wissenschaftler am Leibniz-Institut für Agrartechnik in Potsdam und am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal konnten zeigen, dass der Einsatz von Nah-Infrarot(NIR)-Spektroskopie für Prozesse der hydrothermalen Umwandlung von Biomasse einen effektiven Ansatz zur zielgerichteten Erzeugung unterschiedlichster Wertstoffe bietet. Mit Hilfe der NIR lassen sich die im Prozess entstehenden Produkte zeitnah, robust und kostengünstig erfassen. Damit ist die Grundlage geschaffen, um den ansonsten schwer zu kontrollierenden Konversionsprozess gezielt und energieeffizient auf die gewünschten Stoffe auszurichten, während die Entstehung von Schadstoffen unterbunden oder vermindert wird. Die Ergebnisse werden in Kürze in der renommierten Fachzeitschrift „Bioresource Technology“ veröffentlicht.

Stoffe und Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen gewinnen durch die Endlichkeit fossiler Rohstoffe und deren klimaschädigende Wirkung zunehmen an Bedeutung. Die Verfahren zu ihrer Herstellung beruhen in der Regel auf biologischen oder thermochemischen Prozessen. Das thermochemische Verfahren der hydrothermalen Stoffwandlung nutzt ein wässriges Reaktionsmedium und kann so auch feuchte Biomasse verwerten. Je nach Prozessgestaltung lassen sich auf diese Weise sowohl flüssige, feste als auch gasförmige Produkte erzeugen. Wie bei allen thermochemischen Prozessen ist die Produktbildung jedoch wenig selektiv, so dass neben den gewünschten Produkten eine hohe Anzahl unerwünschter Stoffe entsteht, die zum einen die Ausbeute verringern und zum anderen die Aufreinigung verteuern. 

Im Fokus der Kooperation von ATB und ICT stand die Frage, wie der Prozess der hydrothermalen Carbonisierung (HTC) effizienter gestaltet werden kann. Hauptprodukt hierbei ist Biokohle, ein kohlenstoff- und energiereicher Feststoff. Biokohle kann als Energieträger Verwendung finden, wird aber darüber hinaus für eine Reihe weiterer Anwendungsbereiche geprüft: von der Bodenverbesserung bis zur Elektrotechnik. Die Carbonisierung findet bei Temperaturen von 180 bis 250°C und Drücken zwischen 20 und 50 Bar statt. Der HTC-Prozess liefert zunächst einen Kohleschlamm, der anschließend entwässert werden muss. In der Regel ist sowohl die Kohle als auch die Flüssigkeit hochgradig mit einer breiten Palette an chemischen Verbindungen belastet, die eine Nachbereitung erforderlich machen.

In ihrem in der renommierten Fachzeitschrift „Bioresource Technology“ erscheinenden Artikel berichten die Wissenschaftler über den Einsatz von Nah-Infrarot (NIR) zur spektroskopischen Ermittlung der sich im Prozess bildenden HTC-Produkte. Demnach eignet sich die NIR zur Bestimmung der Kohlequalität einschließlich der durch Begleitstoffe, wie z. B. Phenol, entstehenden Verunreinigungen. Darüber hinaus ermöglicht das NIR-Monitoring auch die Bestimmung potentieller Wertstoffe in der Prozessflüssigkeit, wie Hydroxymethylfurfural, einer als Kraftstoff nutzbaren Chemikalie. Hierzu wurden die Rohdaten der NIR Messungen durch PLS (Partial Least Squares) Regression in Modelle überführt. 

Ausgangsmaterial für diese Arbeiten war Maissilage. Als nächstes planen die Wissenschaftler, die Anwendbarkeit auch für andere Biomassen zu erproben. Wirtschaftlich interessant sind dabei vor allem wasserreiche Reststoffe wie Klärschlamm, Gärreste und Exkremente aus der Tierhaltung. Die NIR-Spektroskopie hat das Potenzial, als industrietaugliches Messverfahren zur Steuerung einer HTC-Anlage eingesetzt zu werden. An einem Konzept wird derzeit gearbeitet. 

Zu den möglichen Anwendungen für eine NIR-gesteuerte HTC gehört die Erzeugung hochwertiger, schadstoffarmer Biokohle aus Gärresten, einem Arbeitsschwerpunkt der am ATB ansässigen Nachwuchsgruppe APECS. „HTC-Biokohle besitzt sowohl in Industrie als auch Landwirtschaft hohes Anwendungspotenzial“, hebt Projektleiter Dr. Jan Mumme den Mehrwert dieses Materials hervor. „Neben der Kohle können durch die HTC eine Reihe wirtschaftlich sehr interessanter Plattformchemikalien“ gewonnen werden, ergänzt Dr. Toufiq Reza, der Chemieingenieur des Teams. „Nach unserer Überzeugung kann die NIR-basierte Steuerung hydrothermaler Verfahren wesentlich dazu beitragen, entsprechende Anlagen für eine breite Palette von Anwendungen zu rüsten und deren Attraktivität für Investoren und Anwender entscheidend zu erhöhen.“

 Der am ICT tätige Wissenschaftler Dr. Wolfgang Becker befasst sich seit vielen Jahren mit der Anwendung spektroskopischer Messverfahren für chemische Prozesse. „Die NIR-Spektroskopie als gut etabliertes, robustes und kostengünstiges Messprinzip kann den Prozess der HTC besser beherrschbar und im Ergebnis kosteneffizienter machen“, so der Wissenschaftler. 

Die Projektgruppe „APECS - Anaerobic Pathways to Renewable Energies and Carbon Sinks“ wird seit 2009 vom BMBF im Rahmen von „Bioenergie 2021“ für die Dauer von fünf Jahren gefördert.   

Literatur:             
M. Toufiq Reza, Wolfgang Becker, Kerstin Sachsenheimer, Jan Mumme: Hydrothermal Carbonization (HTC): Near infrared spectroscopy and partial least-Squares regression for determination of selective components in HTC solid and liquid2h products derived from maize silage. Bioresource Technology 2014, DOI:  10.1016/j.biortech.2014.03.008

Kontakt ATB:    
Dr. Jan Mumme –  Leiter der Nachwuchsgruppe APECS

Kontakt ICT:     
Dr. Wolfgang Becker –  Gruppenleiter Werkstoff- und Prozessanalyse
Fraunhofer Institut für Chemische Technologie (Fh-ICT)
Energetische Systeme
Joseph-von-Fraunhoferstr. 7, 76327 Pfinztal                           

Die Forschung des Leibniz-Instituts für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. (ATB) zielt auf die ressourceneffiziente Nutzung biologischer Systeme zur Erzeugung von Lebensmitteln, Rohstoffen und Energie in Anpassung an Anforderungen von Klimaschutz und Klimawandel. Zu diesem Zweck entwickelt das ATB verfahrenstechnische Grundlagen für eine nachhaltige Landbewirtschaftung und stellt innovative technische Lösungen für Landwirtschaft und Industrie bereit. Eine Querschnittsaufgabe ist die Analyse und Bewertung des Technikeinsatzes entlang der Wertschöpfungskette. Die im Rahmen von Bioraffinerie- und Kaskadennutzungskonzepten entwickelten Technologien sind ein Beitrag zur Schaffung einer biobasierten Stoff- und Energiewirtschaft.

Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT forscht und entwickelt in den Bereichen Energetische Materialien, Energetische Systeme, Angewandte Elektrochemie, Umwelt Engineering und Polymer Engineering. Unsere Expertise reicht von der Konzeption und Auslegung von Prozessen, über Materialentwicklung, -charakterisierung und -verarbeitung, bis hin zu Konzeption, Aufbau und Betrieb von Pilotanlagen. In der Vertragsforschung bearbeitet das Institut vorwiegend kunststoffbezogene Aufgaben wie Werkstoffentwicklung und -auswahl, Produktentwicklung und Bauteilauslegung sowie die Verarbeitungstechnik, insbesondere im Hinblick auf die Weiterentwicklung von Direktverfahren. Kreislaufwirtschaft und Nachhaltigkeit bestimmen die Unternehmensstrategien der kommenden Generation. Das Fraunhofer ICT gehört dabei zu den insbesondere in der Umwelttechnik, zu den profiliertesten Forschungseinrichtungen. Die Entwicklung der Umweltsimulation wurde maßgeblich vom Fraunhofer ICT mitgestaltet. Hier werden die Wirkungen von Umwelteinflüssen auf Werkstoffe und technische Erzeugnisse untersucht. Das Institut ist seit mehr als 40 Jahren Sitz der renommierten Gesellschaft für Umweltsimulation GUS.