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Stefan KROMUSkromus@BioRefSYS.com

ILMT S. NOVALIN, W. KOSCHUH

B. WACHTER, M. MANDL, H. BÖCHZELTNTS-CTP

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• Was sind BioRaffinerien ?

• Geschichte der BioRaffinerie in Österreich

• Grünlandbiomasse als Nawaro – Warum?

• Bioraffinerie Systeme

• Wertstoffe und F & E Fragestellungen

• Proteine und Aminosäuren

• Milchsäure

• Fasern

• Ausblick

BioRaffinerie Definition:Allgemein: basierend auf NAWAROS wird ein

“Multi-Product” – System etabliert

keine klare Abgrenzung zw. Food u. Non-Food

(Mais-Mills; Kartoffelind.; z.T. Zuckerindustrie;Papierindustrie?; Lignozellulose-BioRaffinerie)

Vorschlag Ö+D: - Erweiterung auf Ganzpflanzennutzung- Nachhaltige Technologien

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Beispiele von BioRaffinerien Weltweit

• klassische Konzepte:- Corn-Mills- Ethanol Refineries

• Lignozellulose BRs:- Papierindustrie - Zelluloseindustrie- Lignocellulose BioRaffinerien

• Food-basierte BRs:- Zuckerindustrie- Stärkeindustrie- Soja-Verarbeitung

• ökonomisch selbsttragender Betrieb

• Nachhaltige Landnutzung – Erhaltung der Kulturlandschaft + Einkommen für Landwirte

• Ganzstoffliche Nutzung• “Multi-Product”-System basierend auf nachhaltigen

Technologien u. damit geschlossenen Kreisläufen

• Grünmasse – Wiesengrünmasse• + Biomasse Reststoffe

Grüne BioRaffinerie:

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• 18. Jht. - Proteinabtrennung aus Gras u. Klee

• 20. Jht. - Leaf Protein Concentrate (LPC) - angestrebt wird weißes (Rubisco) Lebensmittelprotein - Hunger der Welt sollte bekämpft werden

• Seit den 70er Jahren (Ölkrise) Grassaftabpressung vor Trocknung -– Futtermittelproteine (USA-ProXan, Frankreich, Ungarn-

VEPEX)

• Carlsson (Schweden) prägte den Begriff der "Green BioRefinery"

• Aktivitäten in Dänemark, Niederlande, Deutschland, Schweiz, Österreich, Island, USA, Frankreich

• 80 er Hydrolyse von Stroh – Ethanol Fermentation(erste Berichte zu Gras als Feedstock)

• 1994 Steinmüller Bericht – Milchsäure aus Silage

• 1999 Erstes Konzept unter dem Titel “Dezentrale Grüne Bioraffinerie Feldbach”

• seit 2000 Versuche mit WiesengrünmasseProduktentwicklung

ÖSTERREICH-Geschichte

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Inhaltsstoffe – Phytochemicalien:• Zucker• Proteine (Enzyme)• Fasern• Carotinoide• Hormone

Produkte:• Fermentationsprodukte (Milchsäure)• Proteine (weiss, grün)• spez. Enzyme• Aminosäuren• Hormone• Alkaloide, Glykoside• Farbstoffe (Chlorophyll, β-Carotin)• Fasern • Energie

Wiesengrünmasse

TourismusKulturlandschaft(Erholung, Freizeit)

Lebensraum

(Biodiversität derFlora und Fauna)

Grundwasser u. TrinkwasserSicherung

Erosionsschutz(Wasser, Wind)Erhalt der Boden-struktur

Filtration undPuffer von Schadstoffen

Lebensraum f. BevölkerungEinkommen

BiotechnologischeProdukte;Futter (Milch,Fleisch);Biogas

Wiese

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~ 15.000.000Holzernte-Ö

Maiskörnergetrocknet~300.000

Zuckerrüben2.630.000

(= 400.000 tZucker)

AGRANA

Rohstoff 2[t FM/a]

Rohstoff 1[t FM/a]

Wer ?

Potenzial Wiesengrünmasse bis 2010:

2.500.000 bis 5.000.000Tonnen Frischmasse pro Jahr

(500.000 bis 1.000.000 t TM/a)

ROHSTOFFE SÜD-OST STMK.

"Gras" - Überschußproduktion [t TM/a] in den Bezirken Weiz, Hartberg, Fürstenfeld, Feldbach, Radkersburg

17.559Hartberg

11.722Fürstenfeld

43.449Feldbach

81.820Weiz

9.647Radkersburg

Gesamt: 164.195 t TM/a

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Farm

Silo

liquid/solid

Further Processing

Biogas Plant

Decentralized Downstreaming‘Homemade’

Starter Cultures

?

End Products

FibersProteins

Lactic Acid (Bioplastics, Solvent)other „low volume-high price“

BioRefinery Systems –Green BioRefinery Systems

Fraktionierung

Landwirteerzeugen

Sekundärrohstoff

Silo

Produktion v.Ökolog. Produkten

Proteine• Futter• Fermentation• Bindemittel

Milchsäure• Lösungsmittel• Kosmetik/Pharma• Bio-Kunststoff

Fasern• Dämmplatten• Panele• Vliese

Biogene Reststoffe liefern ProzessenergieBIOGAS

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Rohstoff-Erstbearbeitung=Sekundärrohstoff -Silage

Dezentrale LW Einheiten Industrie

Produktion vonEndprodukten

• verlässliche Supply-Chain

• Qualitätsstandards

Dezentrale WeiterverarbeitungMobile und dezentraleAufbereitungsschritte• Verringerung d.

Transportmasse• Teilung der Ströme• Biogaserzeugung

Org. – QM – Logistik

• Vertragsverwaltung• Qualitätsmanagement Anbau – Ernte -Aufbereitung• Logistik-Partner Industrie

SYSTEM

ZIEL: Gewinnung von Proteinen und Milchsäure aus Gras- bzw. Silagesäften

Silage- u. Fraktionierungs-versuche

Gewinnung von SäftenMilchsäure

• Abtrennung der MS • Nachfermentation• Silagesaft Membranverfahren• Abklärung d. Möglichkeit von

Chromatographie• Ethyllactat bzw. Aminiumlactat -

Ermittlung der Vorreinigungsschritte• Syntheseversuche mit aufgereinigten

Silagesäften

Proteine• Vergleich: Grün u. Silage Proteine• Zusammensetzung – N-Bilanz• Abtrennungsversuche –

Membrantrennverfahren vergleich mit klassischen Verfahren

• Produktentwicklung: Futtermittel• Vorreinigung d. Milchsäure• Auslegungsparameter für Pilotanlage

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FRAKTIONIERUNG 2002Grünlandbiomasse

5200 kg20,6 % TM

Grassilage4650 kg

20,3 % TM !!

• ~1350 kg Silage Saft mit• ø 8,3 % TM EP • ø MS-Ausb.: ~ 75-90 %• ø CP-Ausb.: ~45 - 55 %

• ~1117 kg Grüner Saft mit• ø 6,3 % TM; 1. Press. • ø CP-Ausb.: ~20 %

2002

teilw. Doppel-pressung

85° C

Dampf

BrownJuice

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Ö-Versuche: Koag. u. Zentrifugation

• Versuche 2001:– Produkt mit bis zu 51 %

Rohprotein i. d. TM bei Kleegras– 40 % Rohproteinausbeute aus

dem Saft

• Versuche 2002:– Produkt mit bis zu 40-46 %

Rohprotein i. d. TM– 45 bis 50 %

Rohproteinausbeute aus dem Saft

ULTRAFILTRATION – Grün-Protein

• Versuche 2001:– Rohprotein Rückhaltung 34 bis

51 %– Produkte mit 17 bis 39 % CP

• Versuche 2002:– zwei Membrane in Serie– Produkte mit 28 (BRG) und

46 % (Luzerne) CP Gehalt

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51%55%

10-12%

18-20%

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

%

Pro Xan1 VEPEX2 GBR France

Rohproteinausbeute versch. Verfahren [% d. TM Input CP Grün]

Ausbeutevergleich-Koagulation –vom Rohstoff zum Produkt

024

48 30°C20°C

4°C0°C

0

20

40

60

80

100

Prot

eing

ehal

t bez

ogen

au

f Fri

schp

robe

[%]

Zeit [h]Temperatur

Proteinabbau in Grassäften 30°C20°C4°C0°C

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ABTRENNUNG von Proteinen aus SILAGE-Säften

• Proteinabbau in der Silage zu Peptiden bzw. vorwiegend freien Aminosäuren

• Ausbeute bei Koagulation nur 3,1 %• Rückhaltung bei Ultrafiltration nur 11 %

(1 bis 15 kD)• Kein Produkt auf diesem Weg möglich• ABER – HOHES Potenzial für Aminosäuren

Abtrennung (als Gemisch od. Abtrennung einzelner AAs)

Hydrolyse von Protein mit starker Mineralsäure (HCl)

bei hohen Temperaturen und Drücken. (5 Stunden bei 120°C in einem)

Enzymatische Hydrolyse von Proteinkonzentraten.

Herstellung von freien Aminosäuren derzeit:

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Aminosäuren aus Grassilage

Aminosäurengemisch

Aminosäure-Fraktionenz.B. BCAA

EinzelneAminosäuren

z.B. Tyrosin:10 kg/ha

Untersuchung der Möglichkeiten der MS-Abtrennung u. Produktgew.

• Bei hohen Zuckergehalten (2001) Nachfermentation möglich ca. 80 % Hexosenabbau bis + 40 % Milchsäure (Versuche am IFA-Tullen)

• Versuche an der BOKU (S. Novalin)– Ultrafiltration– Nanofiltration– Elektrodialyse (Ascheabtrennung, AA-Abtrennung)– Chromatographie

• Versuche zur Erzeugung von Ethyllactat mit unterschiedlichen Modelllösungen (B. Kamm Univ. Potsdam)

• Kristallisationsversuche – Aminiumlactat

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Grasfasern aus AbpressversuchenKleegras

grün + 2x gepresstKleegras

siliert + 2x gepresst

Verwertungsoptionen für Grasfasern

• Biogas• Dämmstoffe• Platten (Spanplatten, Faserplatten,...)• Gartenbau, Materialien für• Landschaftsbau, Materialien• Verbundwerkstoffe/Composite´s• Form- & Pressteile• Pellets (Tierfutter + Brennstoff)• Papier + Karton• Zellulosequelle für Z.-werkstoffe• Zuschlagstoff in Baustoffen (Ziegel, Putze, Mörtel,

Spachtelmassen)

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Gartenbau-Materialien

Pflanzgefäße(Bspl:Cocopot,Brinkman,NL)

Torftöpfe(Meyer,D)

ca. 500 l/kg oTM

Biogasertrag Presskuchen:

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AUSBLICK – 2003 bis 2004• Aufbau einer Basispilotanlage (Fraktionierung,

Faseraufbereitung, Grobfiltration) bis Mitte 2003• Intensivierung der Milchsäureabtrennung • Intensivierung der Aminosäureabtrennung• (Versuche zur Feststoffhydrolyse und

Refermentation des Silage-Presskuchens)