Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mit NIR zu biobasierten Wertstoffen nach Maß: Neuer Ansatz für die hydrothermale Biomassewandlung

18.03.2014

Wissenschaftler am Potsdamer Leibniz-Institut für Agrartechnik und am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT Pfinztal konnten zeigen, dass der Einsatz von Nah-Infrarot(NIR)-Spektroskopie für Prozesse der hydrothermalen Umwandlung von Biomasse einen effektiven Ansatz zur zielgerichteten Erzeugung unterschiedlichster Wertstoffe bietet.

Mit Hilfe der NIR lassen sich die im Prozess entstehenden Produkte zeitnah, robust und kostengünstig erfassen. Damit ist die Grundlage geschaffen, den ansonsten schwer zu kontrollierenden Konversionsprozess gezielt und energieeffizient auf die gewünschten Stoffe auszurichten, während die Entstehung von Schadstoffen unterbunden oder vermindert wird.


Aufbau für die NIR-spektroskopische Analyse von HTC-Produkten in diffuser Reflexion. Eine Messung benötigt weniger als 1 Sekunde. Foto: Fh-ICT


HTC-Prozessflüssigkeit (links) und HTC-Kohle (rechts)

Foto: Fh-ICT

Stoffe und Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen gewinnen durch die Endlichkeit fossiler Rohstoffe und deren klimaschädigende Wirkung zunehmen an Bedeutung. Die Verfahren zu ihrer Herstellung beruhen in der Regel auf biologischen oder thermochemischen Prozessen. Das thermochemische Verfahren der hydrothermalen Stoffwandlung nutzt ein wässriges Reaktionsmedium und kann so auch feuchte Biomasse verwerten.

Je nach Prozessgestaltung lassen sich auf diese Weise sowohl flüssige, feste als auch gasförmige Produkte erzeugen. Wie bei allen thermochemischen Prozessen ist die Produktbildung jedoch wenig selektiv, so dass neben den gewünschten Produkten eine hohe Anzahl unerwünschter Stoffe entsteht, die zum einen die Ausbeute verringern und zum anderen die Aufreinigung verteuern.

Im Fokus der Kooperation von ATB und ICT stand die Frage, wie der Prozess der hydrothermalen Carbonisierung (HTC) effizienter gestaltet werden kann. Hauptprodukt hierbei ist Biokohle, ein kohlenstoff- und energiereicher Feststoff. Biokohle kann als Energieträger Verwendung finden, wird aber darüber hinaus für eine Reihe weiterer Anwendungsbereiche geprüft: von der Bodenverbesserung bis zur Elektrotechnik.

Die Carbonisierung findet bei Temperaturen von 180 bis 250°C und Drücken zwischen 20 und 50 Bar statt. Der HTC-Prozess liefert zunächst einen Kohleschlamm, der anschließend entwässert werden muss. In der Regel ist sowohl die Kohle als auch die Flüssigkeit hochgradig mit einer breiten Palette an chemischen Verbindungen belastet, die eine Nachbereitung erforderlich machen.

In ihrem in der renommierten Fachzeitschrift „Bioresource Technology“ erscheinenden Artikel berichten die Wissenschaftler über den Einsatz von Nah-Infrarot (NIR) zur spektroskopischen Ermittlung der sich im Prozess bildenden HTC-Produkte. Demnach eignet sich die NIR zur Bestimmung der Kohlequalität einschließlich der Verunreinigungen, die durch Begleitstoffe wie Phenol entstehen.

Darüber hinaus ermöglicht das NIR-Monitoring auch die Bestimmung potentieller Wertstoffe in der Prozessflüssigkeit, wie Hydroxymethylfurfural, einer als Kraftstoff nutzbaren Chemikalie. Hierzu wurden die Rohdaten der NIR Messungen durch PLS (Partial Least Squares) Regression in Modelle überführt.

Ausgangsmaterial für diese Arbeiten war Maissilage. Als nächstes planen die Wissenschaftler, die Anwendbarkeit auch für andere Biomassen zu erproben. Wirtschaftlich interessant sind dabei vor allem wasserreiche Reststoffe wie Klärschlamm, Gärreste und Exkremente aus der Tierhaltung. Die NIR-Spektroskopie hat das Potenzial, als industrietaugliches Messverfahren zur Steuerung einer HTC-Anlage eingesetzt zu werden. An einem möglichen Konzept wird derzeit gearbeitet.

Zu den möglichen Anwendungen für eine NIR-gesteuerte HTC gehört die Erzeugung hochwertiger, schadstoffarmer Biokohle aus Gärresten, einem Arbeitsschwerpunkt der am ATB ansässigen Nachwuchsgruppe APECS. „HTC-Biokohle besitzt sowohl in Industrie als auch Landwirtschaft hohes Anwendungspotenzial“, hebt Projektleiter Dr. Jan Mumme den Mehrwert dieses Materials hervor.

„Neben der Kohle können durch die HTC eine Reihe wirtschaftlich sehr interessanter Plattformchemikalien“ gewonnen werden, ergänzt Dr. Toufiq Reza, der Chemieingenieur des Teams. „Nach unserer Überzeugung kann die NIR-basierte Steuerung hydrothermaler Verfahren wesentlich dazu beitragen, entsprechende Anlagen für eine breite Palette von Anwendungen zu rüsten und deren Attraktivität für Investoren und Anwender entscheidend zu erhöhen.“

Der am ICT tätige Wissenschaftler Dr. Wolfgang Becker befasst sich seit vielen Jahren mit der Anwendung spektroskopischer Messverfahren für chemische Prozesse. „Die NIR-Spektroskopie als gut etabliertes, robustes und kostengünstiges Messprinzip kann den Prozess der HTC besser beherrschbar und im Ergebnis kosteneffizienter machen“, so der Wissenschaftler.

Die Projektgruppe „APECS - Anaerobic Pathways to Renewable Energies and Carbon Sinks“ wird seit 2009 vom BMBF im Rahmen von „Bioenergie 2021“ für die Dauer von fünf Jahren gefördert.

Literatur:
M. Toufiq Reza, Wolfgang Becker, Kerstin Sachsenheimer, Jan Mumme: Hydrothermal Carbonization (HTC): Near infrared spectroscopy and partial least-Squares regression for determination of selective components in HTC solid and liquid2h products derived from maize silage. Bioresource Technology 2014, DOI: 10.1016/j.biortech.2014.03.008

Kontakt ATB:
Dr. Jan Mumme – Leiter der Nachwuchsgruppe APECS
Tel.: 0331 5699-913, E-Mail: jmumme@atb-potsdam.de
Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V.
Max-Eyth-Allee 100, 14469 Potsdam
www.atb-potsdam.de

Kontakt ICT:
Dr. Wolfgang Becker – Gruppenleiter Werkstoff- und Prozessanalyse
Tel.: 0721 4640-154, E-Mail: Wolfgang.Becker@ict.fraunhofer.de
Fraunhofer Institut für Chemische Technologie (Fh-ICT)
Energetische Systeme
Joseph-von-Fraunhoferstr. 7, 76327 Pfinztal
www.ict.fraunhofer.de

Die Forschung des Leibniz-Instituts für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. (ATB) zielt auf die ressourceneffiziente Nutzung biologischer Systeme zur Erzeugung von Lebensmitteln, Rohstoffen und Energie in Anpassung an Anforderungen von Klimaschutz und Klimawandel. Zu diesem Zweck entwickelt das ATB verfahrenstechnische Grundlagen für eine nachhaltige Landbewirtschaftung und stellt innovative technische Lösungen für Landwirtschaft und Industrie bereit. Eine Querschnittsaufgabe ist die Analyse und Bewertung des Technikeinsatzes entlang der Wertschöpfungskette. Die im Rahmen von Bioraffinerie- und Kaskadennutzungskonzepten entwickelten Technologien sind ein Beitrag zur Schaffung einer biobasierten Stoff- und Energiewirtschaft.

Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT forscht und entwickelt in den Bereichen Energetische Materialien, Energetische Systeme, Angewandte Elektrochemie, Umwelt Engineering und Polymer Engineering. Unsere Expertise reicht von der Konzeption und Auslegung von Prozessen, über Materialentwicklung, -charakterisierung und -verarbeitung, bis hin zu Konzeption, Aufbau und Betrieb von Pilotanlagen. In der Vertragsforschung bearbeitet das Institut vorwiegend kunststoffbezogene Aufgaben wie Werkstoffentwicklung und -auswahl, Produktentwicklung und Bauteilauslegung sowie die Verarbeitungstechnik, insbesondere im Hinblick auf die Weiterentwicklung von Direktverfahren. Kreislaufwirtschaft und Nachhaltigkeit bestimmen die Unternehmensstrategien der kommenden Generation. Das Fraunhofer ICT gehört dabei zu den insbesondere in der Umwelttechnik, zu den profiliertesten Forschungseinrichtungen. Die Entwicklung der Umweltsimulation wurde maßgeblich vom Fraunhofer ICT mitgestaltet. Hier werden die Wirkungen von Umwelteinflüssen auf Werkstoffe und technische Erzeugnisse untersucht. Das Institut ist seit mehr als 40 Jahren Sitz der renommierten Gesellschaft für Umweltsimulation GUS.

Dipl.-Ing. agr. Helene Foltan | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Berichte zu: APECS ATB Agrartechnik Biokohle Carbonisierung ICT Landwirtschaft Leibniz-Institut NIR Steuerung Stoffe Technologie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Agrar- Forstwissenschaften:

nachricht Die smarte klassische Landhausvilla
28.11.2016 | Bau-Fritz GmbH & Co. KG, seit 1896

nachricht Kleinbauern setzen verstärkt auf Monokulturen
10.11.2016 | Georg-August-Universität Göttingen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Agrar- Forstwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie