Chemische Wertstoffe aus Schilf

Präsentation zum Thema: "Chemische Wertstoffe aus Schilf"—  Präsentation transkript:

1 Chemische Wertstoffe aus Schilf
Stroh, Holzabfällen, Altpapier.... 5. Semester Chemieingenieurwesen, WS 2013/14, FH Münster, Prof. Dr. Th. Schupp

2 Auwaldgehölze stellen eine effiziente Senke für Kohlendioxid dar.
Motivation Eutrophen Gewässern im Flachland können Nährstoffe durch Biomasse entzogen werden. Schilfpolder. Mäander im Auwald? Nährstoffeintrag von Agrarland kann durch Gewässerrandstreifen vermindert werden. Auwaldgehölze stellen eine effiziente Senke für Kohlendioxid dar. Chemische Industrie muss sich mehr auf nachwachsende Rohstoffe umstellen. Erschlossene Gewerbeflächen werden verfügbar. | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

3 ABER: Was kann ich mit der Biomasse anfangen?
Kann die Biomasse Gewinn bringen? Stoffliche Verwertung (z. B. Reet-Dach). Rohstoffliche Verwertung (chemische Produkte). Energetische Verwertung. | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

4 Produktstammbaum der Chemie
Endprodukte Kunststoff, Klebstoff, Lösemittel, Lacke, Farben, Kosmetik, Pharmaka Ethanol, Formaldehyd, Styrol, Harnstoff, Dünger Zwischenprodukte Grundprodukte Salzsäure, Ammoniak, Chlor, Ethen, Benzol, Benzin.... Kohle, Öl, Erz, Salz, Biomasse Rohstoffe | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

5 Pyrolyse/Vergasung Fischer-Tropsch-Benzin Pyrolyse Vergasung
Gaskonditio-nierung Biomasse Pyrolyseöl/-gas chemische Zwischen-produkte Gewinnung Wärmeenergie Synthesegas | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

6 FT-Anlage benötigen große Mengen an Biomasse
Pyrolyse: Ausblick Optimierungsbedarf Teerbeladung des Pyrolysegases FT-Anlage benötigen große Mengen an Biomasse => zentrale Anlagen rentabel FT-Kraftstoff auf Basis von Stroh/Holz: 0,90€/L - 1€/L (ohne Steuern) => Nutzung von Holz (Waldrestholz) und Stroh als Feed ist rentabel Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, FZKA 7170 | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

7 Zellstoffgewinnung - Etablierte Nutzung und Entwicklungspotenzial
Lignin + Cellulose + Hemicellulose Schilf, Holz, Stroh.... Lignin Zellstoff Da der Papierverbrauch jedes Deutschen pro Jahr rund 250 Kilogramm beträgt, spielt dessen Produktion keine unbedeutende Rolle. Zur Zellstoffgewinnung werden drei verschiedene Verfahren eingesetzt: Das bekannte Sulfit- und Sulfatverfahren und das neue Organosolv-Verfahren. In der Tabelle sehen sie die Verfahren mit ihren Vor-und Nachteilen gegenübergestellt. Ein Vorteil des Sulfitverfahrens ist die große Prozessflexibilität sowie die leichte Bleichbarkeit des so gewonnenen Zellstoffes. Allerdings muss als Nachteil angeführt werden, dass so gewonnener Zellstoff eine geringere Festigkeit aufweist und empfindlicher auf Wachs- und Harzbestandteile in den Holzschnitzeln reagiert. Stark harzhaltige Holzarten können so also nicht aufgeschlossen werden. Der Vorteil des Sulfatzellstoffes ist, dass dieses Verfahren geringere Ansprüche an die Qualität der Holzschnitzel stellt als das saure Sulfitverfahren. Es liefert Zellstoff mit hoher Festigkeit und geringem Extraktstoffanteil. Ein gravierender Nachteil ist jedoch die Entstehung von Schwefelverbindungen (also der Geruch nach faulen Eier) sowie die schwere Bleichbarkeit des so gewonnenen Zellstoffes. Das Ziel des Organosolv-Verfahrens ist es, die Vorteile des Sulfat- und des Sulfitverfahrens zu kombinieren. Dadurch könnte man einen Zellstoff gewinnen, der sowohl eine hohe Festigkeit und eine leichte Bleichbarkeit aufweist sowie zu dessen Gewinnung keine ausschließlich hochwertigen Holzschnitzel notwendig sind. Der so gewonnene Zellstoff ist gleichzeitig fest und gut bleichbar. Die Festigkeit ist dabei so hoch, daß zur Bleiche sogar chlorfreie Bleichmittel verwendet werden können. | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

8 Ligno-Celluloses-Feedstock (LCF)-Bioraffinerie
Das (LCF)-Bioraffineriekonzept wurde entwickelt, um von der Erdölindustrie weniger abhängiger zu sein, aber nicht auf Kosten der Nahrungsmittel. Die Lignocellulose wird aus (Mais-) Stroh und anderen Cellulose haltigen Abfällen gewonnen (Schilf, Holz und Papier) Voluminöse Biomasse fordert kurze Transportwege (150 km bis max km)! Bioraffinerien sind dezentrale Anlagen. Aus der Lignocellulose werden Ethanol und organische Säuren wie z. B. Bernsteinsäure gewonnen. | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

9 Energeti-sche Ver-wertung
Ethanol – Bernsteinsäure - Bioraffinerie LCF Hemi-cellulose Cellulose Lignin Gärung Gärung Energeti-sche Ver-wertung L. Luo et al, Bioressource Technology 101 (2010) Ethanol Bernstein-säure Essigsäure Abfall Abfall | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

10 Ethanol-Bernsteinsäure-Bioraffinerie: Jahresbilanz Stoffe
Bedarf Ausstoß Kosten Stroh etc. t 33 $ / t Bernsteinsäure t 1 000 $ / t Essigsäure t 700 $ / t Ethanol t 357 $ / t elektr. Energie kW kW berücksichtigt Kalk t Schwefelsäure t Internal Rate of Return: 46 % (40 %, wenn Stroh auf 66 $ / t). L. Luo et al, Bioressource Technology 101 (2010) | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

11 Verwendung als solche, auch Lebensmittelindustrie. Polyester
Was mache ich mit Bernsteinsäure? Verwendung als solche, auch Lebensmittelindustrie. Polyester Polyurethane Polyamide Maleinsäure Lösemittel verträgliche Weichmacher ..... | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

12 Anderes Modell: Biofine-Prozess
Stroh zu Lävulinsäure -> Ersetzt Diesel / Heizöl pro Jahr: t Stroh etc -> 159 Mio Liter Heizöl ersetzt. 90 Vollzeitarbeitsplätze direkt, 58 bei Zulieferern. 70 $ / t Stroh (~ 50 € / t). | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

13 Stroh-,Schilf- oder Auwaldfläche: mindestens 100 000 ha
Rohstoffquellen – Schilf, Stroh, Holz Schilf, Stroh Ausbeute: 17 t/(ha∙a) Auwaldgehölze Ausbeute: t/(ha∙a) Bioraffinerie Stroh-,Schilf- oder Auwaldfläche: mindestens ha Einzugsgebiet: 60 – 150 km | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

14 Zwei (Drei) Fliegen mit einer Klappe?
Entzug von Nährstoffen und Kohlendioxid Biomasse Lieferung von Rohstoffen Überdüngtes Ökosystem Chemische Produktion günstige Basis erhält, fördert, liefert Produkte und Energie Bedarf an Gewerbebetrieben; Infrastruktur vorhanden | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

15 Wechselwirkungen mit örtlicher Industrie Betriebsabwärme als Fernwärme
Sekundäre Effekte Mehr (Au-)Wald Uferbefestigung Gewässer-Randstreifen als Puffer (zum Acker) Beschattung (Algen↓, O2↑) Freizeitwert Wechselwirkungen mit örtlicher Industrie Betriebsabwärme als Fernwärme | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

16 6. Zusammenfassung Die Verwendung von Lignocellulose steht nicht in direkter Konkurrenz zur Lebensmittelerzeugung. LCF-Bioraffinerien haben sich für bestimmte Produkte auch im Erdölzeitalter durchgesetzt. sind eher dezentrale Anlagen. bieten Entwicklungspotential für ein großes Produktspektrum. Eine Bioraffinerie in der Dümmer-Region würde eine praktische Umsetzung des Agenda-21-Gedankens darstellen. Ökologie, Ökonomie, Soziales (Nachhaltigkeit). | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Haben Sie Fragen?
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18 ANHANG | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

19 Von 1 ha Land ins 5-L-Auto... KAP_9
Biomasse ins Kohlekraftwerk; 80 % Effizienz der Batterie. KAP_9

20 Nutzung MWhgeb. MWhelektr.
Netto-Energieernte pro ha und Jahr Nutzung MWhgeb. MWhelektr. Ethanol aus Getreide , ,8 Ethanol aus Lignocellulose 5, ,0 Biodiesel aus Rapsöl 10, ,2 Biomethan (Biogas) , ,4 Kurzumtrieb BtE Miscanthus BtE ,5 Photovoltaik ~ 300 KAP_9

21 Biogas: 14,4 MWh; * 200 € pro MWh = 2880 €
Biogas oder LCF? Pro ha und Jahr: Biogas: 14,4 MWh; * 200 € pro MWh = 2880 € - Aufwand Bestellung - Aufwand Düngung, Pflanzenschutz 10 – 20 t Lignocellulose * 50 €/t = € / t. Falls Getreide: + Gewinn Getreide; Falls Auwald: - Aufwand Ernte, Pflanzung ?? + Ausweisung als Ausgleichsfläche?? | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

22 Produktstammbaum Lignocellulose
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23 Einfache Gewinnung und Verarbeitung der Rohstoffe Verwendung:
Lävulinsäure „Lävulinsäure zählt zu den 12 wirtschaftlich interessantesten zuckerbasierenden Plattformchemikalien“ Einfache Gewinnung und Verarbeitung der Rohstoffe Verwendung: Herstellung von Kunststoffen und Weichmachern Im Textildruck Als Derivat in der Biochemie zur Porphyrinbiosynthese Zwei sehr aktuelle Patentanmeldungen: Herstellung von Levulinsäure aus Fructose unter Verwendung eines sauren Katalysators, eines Polyethylenglykols und eines endverkappten Polyethylenglykols (13. März 2013) Kontinuierliche Herstellung von Furfural- und Levulinsäure (25. Sept. 2013) Allerdings ist die Herstellung von Lävulinsäure aus Furfurylalkohol trotz ihrer Nachteile das bisher einzige industriell durchgeführte Verfahren. | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

24 Synthese von Lävulinsäure
Grundsätzlich: Verzuckerung von Polysacchariden mittels Hydrolyse Säurekatalysator: Salzsäure, Schwefelsäure oder Phosphorsäure Bedingungen: erhöhter Druck und erhöhte Temperatur Ausgangsstoffe: D-Mannose, D-Glucose oder D-Fructose stufenweise Dehydratisierung der Fructose  5-HMF 5-HMF wird hydriert und in äquimolarem Verhältnis in Lävulinsäure und Ameisensäure gespalten Ausbeute: 71,6% (restlichen 28,4%: Koppelprodukt Ameisensäure) | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

25 Lävulinsäure-derivate
Lävulinsäure-Herstellung Rohstoffe Pflanzen-Hexose Papiermüll „Schlamm“ Holzabfälle Lävulinsäure-derivate Lösungsmittel Biopolymere Produkte Coatings Haftmittel Nylon Pharmazeutika PVC „Plastik“ | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

26 2,5-Bis(hydroxy-methyl)tetra-hydrofuran
Zusammenfassung Stoff Eigenschaft 2,5-Dihydroxy- Methyl-furan 1,5-Pentandiol 1,6-Hexandiol 2,5-Bis(hydroxy-methyl)tetra-hydrofuran  Lävulinsäure Schmelzpunkt [°C] 74-77 -18 38-42 < -50 26-29 Siedepunkt [°C] 275 242 250 105 245 Flammpunkt [°C] 120 135 215 112.0±17.6 98 Mol. Gew. [g/mol] 128,13 104,15 118,18 132.16 116,11 Dichte [kg/m3] 1,283 0,994 g/mL (25°C) 0,96 g/mL (25°C) 1.130±0.06 g/cm3 (20 ºC) 1,13 CAS Nummer Struktur C6H8O3 C5H12O2 C6H14O2 C6H12O3 C5H8O3 Aggregatzustand fest flüssig Schwerer bearbeitbar! Gute -Pumpbarkeit - Verarbeitbarkeit Gute -Pumpbarkeit - Verarbeitbarkeit Sicherer Umgang möglich! Sicherer Umgang möglich! Eher unsichere Handhabung | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

27 Vanillin, Vanillinsäure
Produktstammbaum Lignin Thermische Energie Lignin Füllstoff Bindemittel Vanillin, Vanillinsäure und Syringaldehyd | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

28 Hemicellulose Produktstammbaum Hemicellulose Papierhilfsstoff Mannit
Mannose Ethanol Hemicellulose Xylan | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp

29 Cellulose Produktstammbaum Cellulose Bernsteinsäure Organische Säuren
Glucose Sorbit Aceton Alkohole Ethanol | FH Münster, FB 01 | Prof. Dr. Th. Schupp