Beispiele für Bioraffinerien
Im Folgenden werden vier verschiedene Bioraffinerie-Verfahren und -Produkte vorgestellt, die in ihren Rohstoffen und Produkten erläutert werden.
Beispiel Bioraffinerie
Fermentation von Agavensaft zur Herstellung von Bioethanol
Fossile Brennstoffe sind von der Erschöpfung bedroht. Außerdem ist ihre Ausbeutung und Verarbeitung mit erheblichen Umweltbelastungen verbunden. Bioenergie, Biokraftstoffe aus Biogas und festen oder flüssigen Biomassen, sind dagegen umweltfreundliche und erneuerbare Energiequellen.
Zu den wichtigen Bioenergieträgern gehört auch Bioethanol, ein Alkohol, der durch die Vergärung von zuckerhaltigen Kohlenhydraten, Mais, Zuckerrohr und Non-Food-Agrarabfällen gewonnen wird. Die Verwendung von Mais, Zuckerrohr und Non-Food-Agrarabfällen erfordert jedoch einige Modifikationen im Herstellungsprozess von Bioethanol. Dies macht die Bioethanolherstellung kostspielig und für Arme unerschwinglich.
Dagegen ist die Verwendung von Agave als Produktionsrohstoff bei der Herstellung von Bioethanol kostensparend und erschwinglich. Es sind keine speziellen Verfahren erforderlich. Daher wird in diesem Papier die Herstellung von Bioethanol aus mexikanischer Agave als Rohstoff untersucht.
Der Prozess der Fermentierung von mexikanischer Agave zur Herstellung von Bioethanol erfolgt in sechs Schritten. Zunächst erfolgt die Herstellung des Nährbodens für die Kultivierung der Agave tequilana bei der Entwicklung von Inokulum und der Herstellung der Fermenter. Zweitens werden zusätzliche Geräte, mexikanische Agape-Materialien und Fermenter desinfiziert. Drittens sollte man ausreichend, dynamisches und sauberes Ammoniumsulfat für die Beimpfung der Herstellungsgefäße herstellen. Viertens wird die Agave tequilana im Fermenter unter besten Bedingungen für die Produktentwicklung angebaut. Fünftens: Das Bioethanol wird extrahiert und gereinigt. Schließlich werden die Abfallstoffe für die Biogasherstellung verwendet. Dieser Prozess ist in dem nachstehenden Flussdiagramm skizziert.
Im Rahmen des oben beschriebenen Verfahrens zur Herstellung von Bioethanol wird der mexikanische Agape-Kopf nach der Ernte fermentiert. Zur Gewinnung des Zuckers aus Mexican Agape wird der Kopf der Mexican Agape gedämpft, gemahlen und gepresst. Durch das Dämpfen werden die Polysaccharide zu Fruktose hydrolysiert. Nach der Gärung wird der Alkohol destilliert, gereinigt und konzentriert.
Der Saft der mexikanischen Agape kann mit oder ohne Impfung fermentiert werden, aber die Verwendung der Agave tequilana für die Fermentation gewährleistet hohe und regulierte Fermentationsraten. Bei der Gärung des Fruchtzuckers aus der mexikanischen Agave entstehen Produkte wie Ethanol, Kohlenstoff(IV)-Oxid und Abfälle, die zur Erzeugung von Biogas verwendet werden. Dies ermöglicht eine schnelle Herstellung des Ethanols und eine hohe Energieproduktion zu geringen Kosten (Dulce, 2013).
Bei der Chargengärung werden zunächst die mexikanischen Agape-Abfälle in den Gärbehältern entfernt und die Gärbehälter gründlich gereinigt. Nach der Reinigung der Gefäße wird ein neuer Gärungsprozess eingeleitet. Dabei werden die Gärbehälter mit frischer mexikanischer Agape gefüllt. Außerdem erfolgt eine Behandlung der mexikanischen Agape mit der Agave tequilana. Dies beschleunigt und ermöglicht die Regulierung des Gärungsprozesses. Darüber hinaus wird bei diesem Fermentationsprozess eine Aufstockung und Trennung der in der Anlage fermentierenden mexikanischen Agape vermieden. Schließlich handelt es sich um das erste Verfahren zur Umwandlung der Nährstoffe, Produkte und Biomasse in Bioethanol.
Zweitens findet eine Fed-Batch-Gärung statt. Sie empfiehlt die Zugabe von Nährstoffen, was die Produktionsrate erhöht. Während der Zugabe wird die Fermenterkonzentration überwacht und die Nährstoffe werden in der empfohlenen Dosierung zugegeben, um einen Nährstoffüberschuss zu vermeiden, der die Aktivitäten der Agave tequilana hemmen könnte.
Schließlich findet ein kontinuierlicher Gärungsprozess statt. Wenn die mexikanische Agape neu eingeführt wird, verlängert sich der erwartete Batch-Prozess, da eine Menge Kultur verdrängt wird und mehr produziert wird, der Gärungsprozess ist kontinuierlich und das Substrat ist nie erschöpft.
Nachhaltigkeit ist der Begriff, der die Wechselwirkung zwischen Mensch, Umwelt und wirtschaftlichen Faktoren beschreibt. Die Nachhaltigkeit der Bioethanolproduktion ist ein erster Schritt, um festzustellen, wie die Energie den zunehmenden Bedarf an alternativen Kraftstoffquellen decken kann, indem die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen minimiert wird; ein Beitrag zur Entwicklung nachhaltiger ländlicher Energie, die kohlenstoffneutral ist (Templer, Wang, & Murphy, 2012).
Um die Nachhaltigkeit des Bioethanols zu analysieren, wird ein Messgerät eingesetzt, das die Nettoenergie und die Emissionen des grünen Grases analysiert. Ein weiterer Aspekt, der berücksichtigt wird, sind die Kosten für die Energieerzeugung, die Energienutzung und die Energiepreise. Außerdem darf die Nahrungsmittel- und Energiekrise nicht außer Acht gelassen werden; die für die Nahrungsmittelproduktion genutzten Flächen werden für die Erzeugung des Rohstoffs für die Bioethanolproduktion benötigt. Und schließlich kann auch die Politik der Regierung eine Rolle bei der Bestimmung der Nachhaltigkeit der Energie spielen.
Bioethanol für den Transport hat sowohl eine gute als auch eine schlechte Nachhaltigkeit. Die ableitbaren guten Eigenschaften überwiegen die schlechten, insbesondere wenn die moderne Technologie eingesetzt wird. Der energetische Wirkungsgrad von Bioethanol (Netto-Energiebilanz) und die emittierten grünen Gase stehen in einem eindeutigen Verhältnis. Die Netto-Energiebilanz ergibt sich aus den Einsparungen, die durch die Verwendung von Bioethanol anstelle von fossilen Brennstoffen und anderen nützlichen Nebenprodukten aus dem Prozess der Bioethanolherstellung erzielt werden.
Der Bioethanolprozess verringert die Produktion von Treibhausgasen um 50 % im Vergleich zu einer ähnlichen Menge fossiler Brennstoffe. Darüber hinaus verdoppelt das Bioethanol die für den Verbrauch verfügbare Energiemenge (im Vergleich zu einem herkömmlichen fossilen Brennstoff), da es hochkonzentrierte Produkte und Nebenprodukte liefert, die als Rohstoff für einen Biogasfermenter dienen, um mehr Energie zu erzeugen (Woods, 2013). Außerdem wächst die mexikanische Agape in verschiedenen Klimazonen, was die Konkurrenz mit anderen Nahrungsmittelpflanzen verringert.
Das Ergebnis ist eine nachhaltige Energieversorgung, die die Energie- und Umweltsicherheit fördert, Devisen spart und das soziale Wohlergehen der Landbevölkerung unterstützt.
Referenzen
Algen (2012). Algen zu Energie: Technology overview. Web.
Dulce M. D. (2013). Kontinuierliche Agavensaftfermentation zur Herstellung von Bioethanol, Biomass Now – Sustainable Growth and Use. Web.
Hoeltinger, S., Schmidt, J., Schoenhart, M. & Schmid, E. (n.d.). Optimale Gestaltung der Lieferkette von grünen Bioraffinerien in Österreich – Bewertung aktueller und potenzieller politischer Förderprogramme. Web.
Hogbin, C. & Lei, W. (Eds). (2013). Lignocelluloses feedstock biorefinery as petrorefinery substitute, biomass now-sustainable growth and use. Web.
Pires, J. C. M., Alvim-Ferraz, M. C. M., Martins, F. G., & Simoes, M. (2012). Kohlendioxidabscheidung aus Rauchgasen mit Mikroalgen: Technische Aspekte und Bioraffinerieprodukte. Renewable and Sustainable Energy Review, 16(5), 3043-3053. Web.
Templer, R., Wang, L., & Murphy, R (2012). Ökologische Nachhaltigkeit der Bioethanolproduktion aus Altpapier: Sensibilität für die Systemgrenze. Energy Environ. Sci. 2, 8282-8293.
Woods, J. (2013). Nachhaltiges Bioethanol für die Zukunft. Web.