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27.09.2017

Auf dem Weg zur Bioelektro-Raffinerie

Forscher zeigen, dass mithilfe bioelektrochemischer Synthese aus Mais-Abfällen dieselähnliche Kraftstoffe unter Speicherung von Energie aus Überschussstrom hergestellt werden können.

Drop-in Kraftstoff aus Biomasse und elektrischer Energie.
Dieselähnlicher Kraftstoff kann aus Biomasse-Abfallprodukten unter Nutzung von Überschussstrom erzeugt werden.
Quelle: 
UFZ / André Künzelmann

Die bioelektrochemische Synthese scheint der Schlüssel für eine effektive Nutzung von biologischen Abfallstoffen zur Chemikalienherstellung und Energiespeicherung zu sein. Darauf deuten vielversprechende Experimente von Wissenschaftlern des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ), der Universität Tübingen, der amerikanischen Cornell University und des Deutschen Biomasseforschungszentrums (DBFZ). Erforscht wurde die neuartige Kombi-Methode von einem Team um den Leipziger Helmholtz-Forscher und Chemiker Falk Harnisch. Dabei wurde Mais zur der Bioethanolherstellung sowohl mikrobiologisch als auch elektrochemisch verarbeitet. Das neue Verfahren bietet die Möglichkeit, Stoffkreisläufe zu schließen und gleichzeitig biologische Abfallprodukte und Überschussstrom zu nutzen.

Kraftstoff aus integrierter Biomassenutzung

„Durch die Kombination von mikrobieller und elektrochemischer Stoffumwandlung könnten zukünftig Bioelektroraffinerien entstehen, die Kraftstoffe, Energie und Chemikalien durch integrierte Biomassenutzung produzieren“, erklärt Harnisch. Das neue System der Stoffumwandlung hatten die Forscher an „Corn beer“, also „Maisbier“ getestet, wie sie im Fachjournal „Energy & Environmental Science“ berichten. Dieser Reststoff fällt bei der Bioethanolherstellung aus Mais an.

Biologische Abfallprodukte nutzen

Der Studie zufolge gelang es, einen Teil der Biomasse in Alkane mit hoher Energiedichte und dieselähnlichen Eigenschaften zu überführen. Alkane sind Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Ethan, Propan und Butan, die in Brenn- und Treibstoffen vorhanden sind. Im Labor erzielte das Team aus dem Bioethanolabfallprodukt „Maisbier“ im Laufe des kombinierten mikrobiologisch-elektrochemischen Prozesses eine Biomasse-/Kraftstoffausbeute von 50% in Form des dieselähnlichen Kraftstoffs. „Mit dem ‚corn beer’ haben wir in diesem Experiment einen relativ hochwertigen Ausgangsstoff genutzt. Weiterführende Versuche zeigen uns jedoch deutlich, welch’ großes Potenzial in dem Verfahren steckt – sowohl im Hinblick auf die mögliche Vielfalt der Ausgangsstoffe und der erhaltenen Produkte als auch den gekoppelten Ablauf von Mikrobiologie und Elektrochemie“, erklärt Mitautor Lars Angenent von der Universität Tübingen.

Vereinfachte Darstellung des kombinierten mikrobiellen elektrochemischen Verfahrens.
Quelle: 
UFZ / Carolin Urban und Falk Harnisch

Vereinfachte Darstellung des kombinierten mikrobiellen und elektrochemischen Verfahrens.

Bei dem Verfahren werden nachwachsende Rohstoffe, im getesteten Fall Mais, zunächst zur Gärung angesetzt. Danach werden die durch Gärung entstandenen Stoffe getrennt und mittels Elektrizität in verschiedene chemische Verbindungen gespalten. Dabei entsteht der sogenannte Drop-in-Kraftstoff, der zukünftig herkömmliche Dieselkraftstoffe ersetzen könnte. Das Besondere: Während die mikrobielle Synthese kontinuierlich abläuft, kann die schnellere elektrochemische Stoffumwandlung Überschussstrom verarbeiten. Damit könne Kraftstoff als effektiver Speicher von elektrischer Energie dienen, wie die Forscher berichten.

Bioelektrochemische Synthese optimieren

Für die Wissenschaftler ist das gelungene Laborexperiment ein erster entscheidender Schritt, um die bioelektrochemische Synthese weiterzuentwickeln. „Wir haben im Labormaßstab gezeigt, dass ein solcher Prozess durchführbar ist. Die Herausforderung ist nun, jeden Teilschritt zu optimieren und eine Skalierung entlang des gesamten Prozesses bis in den Pilotmaßstab durchzuführen“, sagt Harnisch.

Die Studie wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative „Nächste Generation biotechnologischer Verfahren - Biotechnologie 2020+“ sowie durch die Helmholtz Gemeinschaft und das NSF SusChemProgram gefördert.

bb

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