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Kunststoffe Bioraffinerie-Verfahren wandelt Pflanzenabfälle in High-Tech-Materialien um

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Kohle und Erdöl sind die Ausgangsstoffe für die Herstellung von Kunststoffen, Farbstoffen und Materialien. Doch es ist nur eine Frage der Zeit, bis Kohle und Erdöl zur Neige gehen. Eine Alternative könnten Pflanzenabfälle sein. Ein Team der Universität Hohenheim hat hierfür ein passendes Verfahren entwickelt.

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Mögliche Alternative zu Kohle und Erdöl: Ein Team der Universität Hohenheim erforscht Bioraffinerie-Verfahren, die pflanzliche Biomasse in hochmoderne Kohlenstoff-Materialien umwandeln.
Mögliche Alternative zu Kohle und Erdöl: Ein Team der Universität Hohenheim erforscht Bioraffinerie-Verfahren, die pflanzliche Biomasse in hochmoderne Kohlenstoff-Materialien umwandeln.
(Bild: Universität Hohenheim)

Kohle und Erdöl könnten in den kommenden Jahren durch erneuerbare Ressourcen ersetzt werden. Diese sollen einerseits einfach zu synthetisieren und kostengünstig sein und andererseits aber auch spezifische Anforderungen erfüllen. Eine unerschöpfliche Alternative könnten Pflanzenabfälle sein, die über spezielle Verfahren in hochwertige Kohlenstoff-Materialien umgewandelt werden.

„Pflanzen bauen chemische Strukturen auf, die Menschen als Ersatz für erdölbasierte Produkte nutzen können“, erklärt Prof. Dr. Andrea Kruse von der Universität Hohenheim in Stuttgart zusammen. Unter ihrer Leitung beteiligen sich seit 2016 Mitarbeiter des Fachgebietes Konversionstechnologien nachwachsender Rohstoffe an Green Carbon, einem internationalen, multidisziplinären Forschungsprojekt.

Die Idee: Durch komplexe Verkohlungsprozesse, die Karbonisierung, können unterschiedlichste Biomassen zu Kohlenstoffmaterialien umgewandelt werden:

  • Pyrolyse-Verfahren – wird für trockene Biomassen mit nicht mehr als 10 % Wassergehalt, wie Heu, Holz oder Stroh, eingesetzt. Dabei wird das Ausgangsmaterial unter Sauerstoffabschluss und hohen Temperaturen verkohlt, ähnlich wie in einem Holzkohlemeiler.
  • Hydrothermale Karbonisierung (HTC) – damit werden feuchte Biomassen, die zu 80 - 90 % aus Wasser bestehen, in einen kohlenstoffhaltigen Feststoff umgewandelt. Bei Temperaturen zwischen 180 und 250 Grad Celsius unter leicht erhöhtem Druck, vergleichbar einem Schnellkochtopf, entstehen dabei durch verschiedene chemische Prozesse Kohlenstoffnanostrukturen, die technologisch sehr interessante Eigenschaften aufweisen können.

Rückstände von Braumalz als Ausgangsmaterial

Dabei setzt Prof. Dr. Kruse bevorzugt auf Ausgangsmaterialien, die in der Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion als Nebenprodukte oder Abfall anfallen. Das können beispielsweise Gemüseblätter, Stroh oder auch Gärreste sein, die bei der Vergärung von Biomasse in einer Biogasanlage zurückbleiben. So können landwirtschaftliche Abfälle genutzt und gleichzeitig neue hochwertige Produkte hergestellt werden.

Für ihre Forschung verwendet sie vor allem Biertreber, also die bei der Bierherstellung anfallenden Rückstände des Braumalzes, die sich durch einen hohen Eiweißgehalt auszeichnen. Bei der HTC wird der im Eiweiß enthaltene Stickstoff in das Kohlenstoffgerüst eingebaut. So entstehen Materialien, die unter Umständen sogar besser sind als die auf dem Markt befindlichen und die z. B. in Energiespeichern als Superakkumulatoren eingesetzt werden können.

Allerdings erfordern die unterschiedlichen Anwendungen auch unterschiedliche Eigenschaften der Hydrokohlen:

  • als Brennstoff soll der Asche- und Stickstoffgehalt möglichst niedrig sein,
  • als Langzeitdünger sollen Mineralien- und Stickstoffgehalt möglichst hoch sein

Neuartiges kaskadiertes HTC-Verfahren definiert Materialeigenschaften

Bisher sind die chemischen Prozesse der Verfahren und ihr Einfluss auf die Produkteigenschaften nicht genau bekannt. Daher ist es schwierig bis unmöglich, Materialien mit definierten Eigenschaften zielgerichtet herzustellen. Ein neuartiges kaskadiertes HTC-Verfahren mit anschließender Pyrolyse vom Forschungsteam der Universität Hohenheim soll das ändern.

„Wir müssen zunächst vor allem die wesentlichen Prozesse des Verfahrens verstehen“, sagt Prof. Dr. Kruse. Dabei ist es ihr allerdings wichtig, nicht nur reine Grundlagenforschung zu betreiben: „Bei allen unseren Untersuchungen ist das langfristige Ziel immer, die Prozesse aus dem Labormaßstab auch im großen, industriellen Maßstab anwenden zu können.“

So konnten bisher sowohl im Labor- als auch im Pilotanlagenmaßstab bereits eine große Anzahl von Experimenten in Hohenheim und im Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse (CBP) in Leuna, einem der Projektpartner, durchgeführt werden, um die am besten geeigneten Betriebsbedingungen hinsichtlich der Energieeffizienz sowie der Eigenschaften der hergestellten Kohle zu ermitteln.

Produktergebnis weitgehend unabhängig von verwendeter Biomasse

Gerade bei der HTC zeigte sich, dass der Prozess so gesteuert werden kann, dass die verwendete Biomasse praktisch keinen Einfluss auf das Endprodukt hat. „Trotz großer Unterschiede im Ausgangsmaterial entstehen bei der HTC immer ähnliche Spektren an Endsubstanzen,“ freut sich Prof. Dr. Kruse.

Damit ist das Verfahren nicht auf eine Quelle beschränkt, sondern es können viele verschiedene Ausgangsmaterialien verwendet werden. Noch bessere Ergebnisse werden erreicht, wenn die Hydrokohle anschließend auch noch einer Pyrolyse unterzogen wird.

Hydrokohlen für die Herstellung von E-Autos

Anwendungsmöglichkeiten solcher Hydrokohlen sind z. B. Aktivkohlen zur Reinigung von Luft, Gasen oder (Ab-)Wasser, Speichermedien für Wasserstoff, Elektrodenmaterialien für Batterien und Brennstoffzellen oder Superkondensatoren, wie sie unter anderem für die Herstellung von E-Autos benötigt werden.

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