Kleine Bioraffinerien, angesiedelt direkt am Bauernhof: Sie sind der Schlüssel dazu, Kreisläufe zu schließen und so Natur, Umwelt und Klima zu schützen. Denn die Verwertung von Biomasse direkt vor Ort ist ein vielversprechender Ansatz dafür.

Sie kann den Menschen Lebensmittel, vielfältige Materialien sowie Energie liefern. Doch noch sind viele Fragen bei ihrer Realisierung ungeklärt. Deswegen haben sich jetzt die Universität Hohenheim in Stuttgart und das Karlsruher Institut für Technologie zu einer Initiative zusammengeschlossen, die wirtschaftliche und nachhaltige technische Lösungen entwickeln will: Die Bioraffinerie-Farm.

Dazu wollen sie an der Versuchsstation „Unterer Lindenhof“ der Universität Hohenheim eine bestehende Bioraffinerie-Anlage gemeinsam ausbauen – und dabei ihre jeweiligen technologischen Entwicklungen zusammenführen.

Worum geht es?

Auf dem Bauernhof der Zukunft stellt der Landwirt ‒ neben den herkömmlichen landwirtschaftlichen Produkten ‒ aus pflanzlicher Biomasse und organischen Reststoffen so genannte Basischemikalien her. Diese können als Ausgangsstoffe für biogene Kunststoffe oder Kraftstoffe dienen, die an anderer Stelle erzeugt werden. Die Reststoffe aus diesem Prozess wiederum werden in einer Biogasanlage energetisch verwertet und landen danach als Dünger wieder auf dem Feld.

So stellen sich Prof. Dr. Andrea Kruse vom Fachgebiet Konversionstechnologien nachwachsender Rohstoffe an der Universität Hohenheim und Prof. Dr. Nicolaus Dahmen vom Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) den Bioraffinerie-Bauernhof von morgen vor.

Aber wie lässt sich diese Vision konkret umsetzen? Ist sie auf einem Bauernhof oder nur im Zusammenschluss mehrerer Höfe umsetzbar? Wie müssen nachhaltige wirtschaftliche und technische Lösungen aussehen? Welches sind die aussichtsreichen Produkte? An Antworten auf diese Fragen forschen das KIT und die Universität Hohenheim nun gemeinsam.

Bioraffinerien als Schlüssel zum Erfolg

Vergleichbar mit Erdöl-Raffinerien kann in diesen Bioraffinerien aus pflanzlicher Biomasse eine breite Palette an chemischen Grundstoffen sowie Energie gewonnen werden. Ziel ist eine ganzheitliche, abfallfreie Verwertung der Biomasse. Um eine Konkurrenz mit der Lebensmittelproduktion zu vermeiden, werden Reststoffe oder Nebenprodukte aus dem landwirtschaftlichen Betrieb genutzt.

Die Idee dahinter: „Wenn aus Biomasse Kunststoffe, neue Materialien oder Kraftstoffe hergestellt werden, wird Kohlenstoff gebunden“, erklärt Prof. Dr. Kruse. „Werden diese biogenen Produkte dann am Ende Ihrer Nutzungsdauer zur Energieerzeugung verbrannt, wird nur dieselbe Menge an Kohlendioxid freigesetzt, die auch beim Verrotten des pflanzlichen Ausgangsmaterials entstehen würde. So können nicht nur fossile Brennstoffe, sondern auch CO2-Emissionen eingespart werden.“

Dabei können Bioraffinerien mehrere Produkte gleichzeitig herstellen. „Wenn man verschiedene Prozesse effizient hintereinanderschaltet, wird Biomasse entlang der ganzen Wertschöpfungskette zu Lebensmitteln, Futtermitteln, Werkstoffen, Materialien, Chemikalien und Energie veredelt“, betont Prof. Dr. Dahmen.

Kreisläufe schließen

„Unser Hauptanliegen ist es, Kreisläufe zu schließen“, beschreibt Prof. Dr. Kruse den gemeinsamen Ansatz. „Diese Kreisläufe gab es früher. Sie sind aber im Laufe der Zeit durch die Expansion von Wirtschaftsräumen verloren gegangen. Wir wollen jetzt aber nicht die alten Zeiten wieder heraufbeschwören, sondern die Lücken mit modernen Technologien schließen.“

Prof. Dr. Dahmen erklärt die dahinterliegende Herausforderung: „Im Wesentlichen geht es um eine vielseitige Kombination von chemisch-physikalischen Verfahrenstechniken mit biologischen und biotechnologischen Prozessen – und diese Aufgabe kann nur gemeinsam gelöst werden, besonders da die ganze Wertschöpfungskette betrachtet werden soll.“

Know-how bündeln

Nächster Meilenstein des Vorhabens ist der gemeinsame Ausbau und Betrieb einer bestehenden Bioraffinerie-Anlage an der Versuchsstation „Unterer Lindenhof“ der Universität Hohenheim.

In Form einer repräsentativen Technikumsanlage wird die möglichst vollständige stoffliche Verwertung von Biomasse zu so genannten Plattformchemikalien demonstriert. Diese dienen als wichtige Grundbausteine für die Herstellung von anderen Chemikalien und Materialien, um daraus schließlich Endprodukte wie beispielsweise Sportbekleidung aus biogenen Kunststoffen oder synthetische Kunst- und Kraftstoffe herzustellen.

Holz, Stroh und Gräser enthalten Lignozellulose als Stützsubstanz, die ihnen Stabilität verleiht. In der Bioraffinerie soll diese aufgespalten und die einzelnen Komponenten Cellulose, Hemicellulose und Lignin separat verwertet werden. Ein Karlsruher Verfahren zur Ligninspaltung wird dabei mit einem Hohenheimer Verfahren zur Verwertung von Lignozellulose gekoppelt. Dabei entstehen dann unter anderem Furfural und Phenole, mit denen beispielsweise biogene und damit formaldehydfreie Spanplatten und Sperrholz hergestellt werden können.

Damit könnten nicht nur Rest- und Nebenströme der landwirtschaftlichen Produktion verwertet werden, sondern auch fossile Ressourcen eingespart, die Wertschöpfung gesteigert und die Stoffkreisläufe geschlossen werden. Andere Beispiele für diesen Ansatz, in dem Biomasse dezentral in Zwischenprodukte umgesetzt und diese dann zentral weiterverarbeitet werden, sind die On-farm-Bioraffinerie-Konzepte der Universität Hohenheim und das bioliq-Verfahren des KIT.