Feine Aromen nach Apfel, Ananas oder Erdbeere: Diese chemischen Substanzen lassen sich aus Buttersäure herstellen. Buttersäure entsteht bisher meist in aufwändigen chemischen Verfahren. Biogasforscher der Universität Hohenheim möchten nun diese und weitere Säuren aus der Biomasse moderner Biogasanlagen gewinnen. Das Forschungsprojekt „Optigär“ sucht nach Möglichkeiten, wie die Säuren sich ökonomisch und ökologisch sinnvoll erzeugen und vermarkten lassen. Dieser Ansatz der Bioökonomie – dem Leitthema der Universität Hohenheim in Stuttgart – erhält von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) knapp 300.000 Euro Förderung und zählt damit zu den Schwergewichten der Forschung.
Biogas ist und bleibt der zentrale Wertstoff aus Biogasanlagen. Es entsteht in der Biomasse, dem sogenannten Biogassubtrat, während der Vergärung im Biogasreaktor. Dabei entstehen als Zwischenprodukte aber auch andere Stoffe – darunter hochwertige organische Säuren. Diese wollen die Biogasforscher der Universität Hohenheim nun aus einer vorgeschalteten Stufe im Biogasprozess (sogenannte Hydrolysestufe) gewinnen und untersuchen, wie sie die Ausbeute steigern können.
„Die Forschung und unsere praktischen Erfahrungen sind mittlerweile so weit, dass wir die Prozesse in der Anlage steuern und die Entstehung und Menge bestimmter organischer Säuren gezielt beeinflussen können“, erklärt Dr. Hans Oechsner von der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie der Universität Hohenheim.
Silierte Biomasse ist Ausgangsstoff für wertvolle organische Säuren
Die organischen Säuren gelten als sogenannte Plattformchemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen, weil sie herkömmliche Grundchemikalien ersetzen können, die aus fossilen Rohstoffen hergestellt sind. Milchsäure, die beispielsweise beim Silieren von Biomasse entsteht, kann als chemischer Grundbaustein zur Erzeugung von biologisch abbaubaren Kunststoffen (Polymilchsäure) dienen. Ein früheres, vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördertes Projekt untersuchte, wie die Ausbeute von Milchsäure erhöht werden kann. Im Projekt „Optigär“ stehen andere Carbonsäuren im Fokus. Dazu gehört auch die Buttersäure. Aus ihr lassen sich Ester herstellen, die als fruchtige Duft- und Aromastoffe in der Lebensmittel-, Kosmetik- und Futtermittelindustrie dienen.
Ziel sind möglichst reine, hochwertige Säuren
„Die hochwertigen Säuren sind für die Entstehung des Biogases im Reaktor unerheblich“, erläutert Jörg Steinbrenner. Er betreut das Forschungsprojekt als Doktorrand an der Universität Hohenheim. „Wir können sie daher aus dem Prozess herausziehen und anderweitig nutzen.“
„Bei derzeitigem weitgehend unkontrolliertem Ablauf der Hydrolyse entstehen Säuren meist als Gemische. Durch Steuerung der Abläufe, Regelung von pH-Wert und Temperatur, Zugabe oder Förderung von Reinkulturen können mehr der erwünschten Stoffe gewonnen werden“, erklärt Steinbrenner. „Die Abtrennung der wertbringenden Säuren erfolgt über spezielle Membranen.“ Das Fazit von Oechsner: „Wir setzen auf vergleichsweise einfache biochemische Verfahren mit nachwachsenden Rohstoffen. Sie sollen eines Tages herkömmliche aufwändigere Verfahren der Buttersäureerzeugung mit fossilen Rohstoffen nachhaltig ersetzen.“
Versuchsreaktor hilft Potenziale einzuschätzen
Die Forscher haben im Labor eine Versuchsanlage aufgebaut. „Wir glauben, dass wir eine Säuregewinnung von 2 Prozent der Frischmasse des Biogassubstrats erreichen können. Bei 10 bis 20 Tonnen Frischmasse pro Tag könnten wir so täglich 200 bis 400 Kilogramm hochwertige Säuren herausfiltern“, zeigt sich Oechsner zuversichtlich. Den Versuchen folgt eine Potenzialabschätzung, wie sich die Säuregewinnung ökonomisch rechnet und wie aus bioökonomischer Sicht die Ökobilanz ausfällt. Dafür zeichnet das European Institute for Energy Research, Karlsruhe, verantwortlich. Am Verbundforschungsprojekt beteiligt ist auch das Fraunhofer Institut für Chemische Technologie, Pfinztal. Es steuert Trenntechnik mit Membranen bei. Eine Privatfirma sorgt für Reaktorbehälter und Gastanks.
Hintergrund Forschungsverbund „Optigär“
Der vollständige Titel des Verbundvorhabens lautet „Entwicklung effizienter zweiphasiger Biogasanlagen über eine gekoppelte energetische und stoffliche Nutzung nach Abtrennung von Hydrolyseprodukten (Optigär); Teilvorhaben 2: Untersuchung der entkoppelten Hydrolyse zur gezielten Erzeugung von Plattformchemikalien und Methanvergärung“. Das Forschungsvorhaben läuft bis Ende August 2018. Die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) fördert es mit genau 297.503 Euro.
