Regio13: Strohethanol3

Das Forschungsprojekt hat den Schwerpunkt in der Entwicklung eines Prozesses zur optimierten und effiziente Nutzung heimischer Rest- und Abfallstoffe aus Lignocellulosen (Stroh und dgl.) zur Herstellung von Treibstoffen (Bioethanol).

Die FH OÖ hat bei der Herstellung von Bioethanol dabei ein einzigartiges Verfahren zur virtuellen Erhöhung der Strohkonzentration entwickelt (Abb.1), das sich grundlegend von anderen Verfahren abhebt und viele Vorteile aufweist.

Im Projekt werden die wissenschaftlichen Grundlagen dieses optimierten Verfahrens zur Herstellung von Bioethanol aus Lignocellulosen (Stroh und Abfallstoffe) ermittelt.

Dadurch sollte es nach grundlegender Optimierung einiger bisher noch ungelöster Fragestellungen möglich sein, ein ökonomisch und ökologisch international kompetitives Verfahren zu entwickeln. Neu bzw. einzigartig sind beim Verfahren die Rezyklierung des Hydrolysats in Kombination mit einer onsite Produktion der Enzyme.

So könnten zum einen der Anteil an erneuerbarer Energie in Oberösterreich gesteigert und die Importabhängigkeit von fossilen Brennstoffen vermindert werden. Zum anderen wird ein für die Anlagenbauer des Landes OÖ interessantes Exportprodukt entwickelt.

Um empirisch gesicherte Erkenntnisse darüber zu erhalten, ob dieses Produkt in der oberösterreichischen Bevölkerung auf Akzeptanz stoßen würde und wie sich derzeit generell die Akzeptanz von erneuerbaren Energien darstellt, wird zudem eine repräsentative Umfrage durchgeführt. Die Ergebnisse werden mit relevanten stakeholder diskutiert, um daraus Empfehlungen zur Steigerung der Akzeptanz von erneuerbaren Energien, insbesondere jener des entwickelten Produkts, abzuleiten.

Das Projekt Strohethanol ist im großen Kontext der Erzeugung von Treibstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen zu sehen.

Beim Hype um Biotreibstoffe (während dem eine Vielzahl von Demonstrationsanlagen zumindest angekündigt wurden, wenn auch nicht tatsächlich alle in Betrieb gingen) ist oftmals vergessen worden, die Basics - d.h. wissenschaftlichen Grundlagen der Prozesse genau zu betrachten und zu untersuchen. Oftmals wurden und werden zudem nur die Einzelschritte eines in allen Schritten interdependenten Prozesses betrachtet. So ist es letztendlich nicht verwunderlich, dass das Verfahren noch immer nicht im Industriemaßstab realisiert wurde.

Im Projekt werden einige wichtige wissenschaftliche Fragestellungen bearbeitet, um den Gesamtprozess zu optimieren.

Grundlegende Fragestellungen:

Bei der Herstellung von Bioethanol aus Stroh (Bioethanol der 2. Generation) gibt es trotz weltweiter Bemühungen vier mehr oder weniger ungelöste Probleme, die den industriellen Einsatz dieser Technologie bisher verhindert haben:

• Die maximale TS-Konzentration ist nach konventionellen Methoden im Hydrolysetank mit 10% begrenzt. Bilanzmäßig können dadurch maximal 3,6 % Ethanol entstehen.
• Wird die Strohkonzentration durch Verfahrensoptimierung erhöht, entstehen bei allen Vorbehandlungsmethoden INHIBITOREN, welche die Ethanolproduktion stark beinträchtigen.
• Das Enzymmuster kommerzieller Cellulasen passt nicht zu den tatsächlichen Anforderungen des Substrates (Endprodukthemmung, Beta Glucosidase Mangel u.s.w.)
• Ein Teil der im Prozess entstehenden Zucker (C5-Zucker) können von den Hefen nicht in Alkohol umgewandelt werden. Dadurch reduziert sich der maximale Alkoholertrag bei Einsatz von 10 % Stroh auf 2,6 % Ethanol.

Im Projektvorhaben wird den Fragen nachgegangen, aufgrund welcher Tatsachen hohe Produktbildungsraten verhindert bzw. ermöglicht werden.

So wird in einem Arbeitspaket untersucht, wie während der notwendigen Vorbehandlung des Strohs mit Steam Explosion die Bildung von Inhibitoren vermieden werden kann, bzw. wie diese aus dem Prozess während der Vorbehandlung oder im späteren Prozessverlauf abgetrennt werden können. Die Bildung von Inhibitoren ist in der Literatur relativ ausführlich beschrieben. Bei der Unterschiedlichkeit der verschiedenen Vorbehandlungsarten und bei der Vielzahl der verwendeten Hefen ergeben sich Aussagen, die sich teilweise selbst, auf jeden Fall oft eigenen Untersuchungen widersprechen. Für das Welser Verfahren ist wichtig zu bestimmen, welche Inhibitoren tatsächlich entstehen und welche Substanzen tatsächlich für das Gesamtverfahren relevant sind? Eigene Ergebnisse widersprechen alten Untersuchungen aus Zeiten, in denen weder GC/MS noch LC/MS flächendeckend zur Verfügung standen. Überschreiten diese Inhibitoren bei Rezyklierungen kritische Konzentrationsschwellen? Hängen die Inhibitoren von der Art/Gattung/Familie/Klasse der Rohstoffe ab? Werden aus Gräsern andere Inhibitoren gebildet, als aus Coniferen? Können sie abgetrennt werden? Die Beantwortung dieser Fragen ist wichtig für den ökonomischen Erfolg des Verfahrens.

In einer weiteren Neuerung und Verbesserung des Gesamtverfahrens wird - aufgrund erfolgreicher Vorversuche - untersucht, das Endprodukt Ethanol nach Rezyklierung in die Vorbehandlung bereits dort abzutrennen. Dies ist eine grundlegende Fragestellung (wie ist der Einfluss auf das Stroh – ist dies der Übergang zu einem Organosolv Verfahren?) mit hohem Anwendungspotential (kann durch die Abtrennung von Ethanol in der Vorbehandlung Energie in der Destillation eingespart werden?).

Durch eine vom Antragsteller erfundene Rezyklierungsmethode wird der Bioethanolprozess zwar optimiert, es werden jedoch Inhibitoren akkumuliert. Welche Stoffe wirken wirklich inhibierend, wie können diese (wenn deren Bildung in der Vorbehandlung nicht vermeidbar ist) im späteren Prozess abgetrennt werden? Der mehrmals beschriebene und in Pilotanlage erprobte, relativ aufwändige Prozess der Waschpresse sollte durch eine einfachere, kostengünstigere Methode ersetzbar sein.

Ein dritter Fragekomplex wird mit Hilfe der TU Wien (Prof. Kubicek) angegangen:

Durch die Rezyklierungsmethode können im Prozess die hohen Cellulosemengen nicht mehr quantitativ in Zucker umgesetzt werden können.

Ist es möglich, die Enzyme des Cellulasekomplexes zu optimieren? Welche Einzelenzyme sind limitierend, können Enzyme verschiedener Organismen kombiniert werden, können die bereits beobachteten Endprodukthemmungen ausgeschaltet werden?

Eigene Versuche haben gezeigt, dass bei den bereits erzielten hohen Ausbeuten eindeutig Endproduktinhibierungen vorliegen. Die TU Wien wird den für den Prozess notwendigen Enzymmix optimieren. (Zudem sei angemerkt, dass die Enzymmonopolisten Novozymes und Danisco / Dupont sehr restriktiv mit der Vergabe aktuellster Enzympräparate sind.

Das Thema Enzymatik wird mit einer zweiten Strategie bearbeitet: Die Produktion von Enzymen on site, d.h. auf dem eigentlichen Substrat Stroh, wurde in Österreich von den Antragstellern bereits in den 1980iger Jahren bearbeitet und wird im Projekt wieder aufgenommen:

Das Substrat Stroh wird vorbehandelt und mithilfe der aktuellen Stämme von Trichoderma reesei werden Cellulasen produziert. Diese werden dann später zur Verzuckerung des Strohs eingesetzt. Es wird dabei erwartet, dass diese Enzyme natürlich optimal dem Substrat Stroh angepasst sind - besser als auf reiner Cellulose produzierter Industrieenzyme. Aktuelle wissenschaftliche Untersuchungen liegen dazu nicht vor – schon gar nicht auf der Basis von Ansätzen mit bis zu 40 % Stroh. Im geplanten Projekt wird auf die Erfahrungen der Arbeitsgruppe Prof. Nidetzky der TU zurückgegriffen und das Thema grundlegend bearbeitet.

Diese „onsite"" Produktion von Cellulasen ist ein wichtiges Merkmal des Welser Bioethanolverfahrens und unterscheidet diesen Prozess von allen anderen Verfahren weltweit.

Um die wissenschaftlichen Grundlagenerkenntisse verwerten zu können werden in einem Arbeitspaket die Ergebnisse aller Arbeitsgruppen zusammen geführt um trotz allen Forschungscharakters einen effizienten kompetitiven Bioethanolprozess zu entwickeln.

Im Zuge der Forschungsarbeiten der Arbeitsgruppe „Bioethanolics"" wird versucht, auf diese naturwissenschaftlichen Fragen ebenso Antworten zu finden, wie auf die Fragen der ökologischen Bewertung und der gesellschaftlichen Akzeptanz in Oberösterreich.

Mit der Fakultät für Gesundheit und Soziales der FH Linz (F&E research center) wird sich in OÖ erstmals ein Institut mit der Frage der Akzeptanz der Bevölkerung hinsichtlich erneuerbarer Energien beschäftigen. Nach dem Desaster um die Einführung von E 10 in Deutschland scheint dieser Fragestellung herausragende Bedeutung zuzukommen. In der Literatur liegen zum Thema Akzeptanz von Biotreibstoffen für Österreich - im Gegensatz zu anderen Ländern - so gut wie keine Untersuchungen vor. Dies gilt insbesondere für Oberösterreich, hier kann wissenschaftliche Pionierarbeit geleistet werden. Die empirischen Ergebnisse sollen im Rahmen von Workshops mit relevanten Stakeholdern (Experten und Vertretern der Politik) diskutiert werden, um Handlungsempfehlungen zur Steigerung der Akzeptanz der erneuerbaren Energien im Allgemeinen und des entwickelten Produkts im Besonderen ableiten zu können.

Das Energieinstitut an der JKU wird sich zudem mit der ökologischen Bewertung des erarbeiten Prozesses beschäftigen.