Biomasseaufschluss
Prozessgesteuerte enzymatische Hydrolyse (PEH)
Abbaugrad und Abbaugeschwindigkeit von Substraten im Biogasprozess hängen stark vom strukturellen Aufbau der jeweiligen Einsatzstoffe ab. Während Fette, Proteine sowie Stärke sehr schnell und weitgehend zu Biogas umgesetzt werden, stellen die faserigen Anteile, und hier insbesondere die Cellulosefraktion, eine Herausforderung für die Biogasproduktion dar. Zum einen erschwert die Struktur der Cellulosefasern die enzymatische Hydrolyse, zum anderen sind die typischen Milieubedingungen im Biogasfermenter (pH-Wert, Temperatur) ungünstig für cellulolytische Enzyme und verringern deren Aktivität deutlich. Dementsprechend werden die faserigen Pflanzenanteile in Biogasanlagen nur langsam und unvollständig abgebaut.
Vor diesem Hintergrund entwickelt die PFI Biotechnology ein spezielles Vorhydrolyse-Verfahren, um Abbaugrad und Abbaugeschwindigkeit des Faseranteils wesentlich zu erhöhen. Bei der prozessgesteuerten enzymatischen Hydrolyse (PEH) wird die Biomasse in einem speziellen Hydrolysebehälter aufgeschlossen, bevor sie in den Biogasfermenter gelangt. In dem gesteuerten und sensorüberwachten Prozess werden optimale pH- und Temperaturbedingungen für die Aktivität hydrolytischer Enzyme eingestellt. Nach intensiven Untersuchunge.n im Labor- und Techmikumsmaßstab wird das Verfahren derzeit in der Praxis erprobt (siehe auch Entwicklung).
Thermo-Druck-Hydrolyse (TDH)
Die Nutzung lignifizierter Biomasse erfordert den Einsatz weitergehender Aufschlussverfahren, insbesondere wenn zuckerangereicherte Hydrolysate für Fermentationen bereitgestellt werden sollen.
In diesem Zusammenhang arbeitet die PFI Biotechnology intensiv an einem hydrothermalen Aufschlussverfahren, der sogenannten Thermo-Druck-Hydrolyse (TDH). Durch ein spezielles diskontinuierliches Verfahren wird die Hemicellulosefraktion lignifizierter Substrate (beispielsweise Stroh) weitgehend hydrolysiert und die Lignocellulose für eine nachfolgende enzymatische Hydrolyse vorbereitet (siehe auch Entwicklung).
Lignocellulose: ist das am weitesten verbreitete natürlich vorkommende organische Material und der Primärbaustein von Pflanzenzellwänden. Die Hauptbestandteile von Lignocellulose sind Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Diese drei Biopolymerstrukturen sind gemeinsam für die Stabilität von Pflanzenmaterialien verantwortlich. Holz beispielsweise verdankt ihnen seine lange Haltbarkeit.
Vor allem Lignin ist besonders beständig und schützt Pflanzenstrukturen gegen mikrobiellen Abbau. Aber genau diese Persistenz erschwert die biotechnologische Umsetzung von Lignocellulose zu chemischen Grundstoffen, Treibstoff (2G) oder Energie.
Für eine möglichst nachhaltige Umsetzung von Lignocellulose sind Gemische von Enzymen notwendig, die Cellulose und Hemicellulose in ihre Zuckerbestandteile hydrolysieren. Gegenwärtig ist die Herstellung dieser Enzyme sehr teuer. Deshalb ist die Umsetzung der Prozesse im großtechnischen Maßstab derzeit nicht wirtschaftlich.
2G-Treibstoffe: Biogene Treibstoffe – also Treibstoffe, die aus Biomasse gewonnen werden – unterteilt man in zwei Kategorien: Werden zucker- oder stärkehaltige Substrate wie Mais oder Zuckerrohr verwendet, spricht man von biogenen Treibstoffen der ersten Generation (1G). 1G-Treibstoffe sind relativ einfach herzustellen und werden großtechnisch beispielsweise in den USA und Brasilien produziert (Bioethanol). Da die Anbauflächen für 1G-Treibstoffe mit denen für Lebensmittel konkurrieren, verlieren diese Substrate zur Kraftstoffherstellung immer mehr an Popularität.
Daher wird intensiv an der Herstellung von Kraftstoffen aus Restbiomassen wie Strohgeforscht. Restbiomassen bestehen hauptsächlich aus Lignocellulose und sind nicht für den Verzehr geeignet. Treibstoffe, die aus Lignocellulose gewonnen werden, bezeichnet man als Treibstoffe der zweiten Generation (2G). Sie im großtechnischen Maßstab herzustellen ist derzeit sehr teuer. Grund der hohen Kosten sind die eingesetzten Enzyme (siehe Lignocellulose).