mini|Die häufigste Verbindung in Biomasse ist Glucose, die als Monomer, vor allem aber auch als Polymer in Form von Cellulose und Stärke vorkommt. mini|Bereits heute werden Pflanzenöle, die vor allem aus Triacylglycerinen bestehen, intensiv genutzt. (Die Reste R stehen für die Kohlenwasserstoff­ketten meist verschiedener Fettsäuren.) Eine Bioraffinerie ist eine Raffinerie, in der aus Biomasse unter möglichst vollständiger Verwertung aller Rohstoffkomponenten verschiedene Zwischen- und Endprodukte (z. B. Chemikalien, Werkstoffe, Bioenergie) nachhaltig erzeugt werden. Es können als Nebenprodukte auch Lebens- und Futtermittel entstehen. Wichtig für eine Bioraffinerie sind ein zugrunde liegendes ganzheitliches Konzept und die Integration verschiedener Verfahren und Technologien.Arno Behr, Thomas Seidensticker: Einführung in die Chemie nachwachsender Rohstoffe – Vorkommen, Konversion, Verwendung Springer Spektrum, 2018, ISBN 978-3-662-55254-4, S. 340–351. Das bedeutet, dass bei der Entwicklung aller in einer Bioraffinerie stattfindenden Prozesse, neben dem Produktionsprozess, auch die Herkunft der Rohstoffe sowie die Entsorgungsprozesse, mit berücksichtigt werden.

Das Prinzip der Bioraffinerie weist bis auf die Rohstoffe viele Ähnlichkeiten mit dem der Erdölraffinerie auf, in der der komplex zusammengesetzte Rohstoff Erdöl in einzelne Fraktionen oder Komponenten getrennt wird. Teilweise werden diese durch chemische Verfahren in andere, besser absetzbare Verbindungen umgewandelt.

Ein wichtiges Ziel des Konzepts „Bioraffinerie“ ist es, Erdöl als wichtigen Rohstoff der chemischen Industrie langfristig zu ersetzen und so zu einer biobasierten Industrie hin zu kommen. Das Energieministerium der Vereinigten Staaten bezeichnete Industrielle Bioraffinerien als vielversprechendsten Weg zu diesem Ziel.Birgit Kamm: Bioraffinerie – Produktion von Plattformchemikalien und Synthesegas aus Biomasse. In: Angewandte Chemie, 2007, 139, S. 5146–5149. Eine effiziente und nachhaltige Verwendung von Biomasse steht auch im Fokus der nationalen Forschungsstrategie Bioökonomie 2030 der deutschen Bundesregierung, in welcher Bioraffinerien eine wichtige Rolle spielen.Bioökonomie nachhaltig umsetzen! (PDF; 2,5 MB) Erste Handlungsempfehlung des Bioökonomierats zur Umsetzung der Nationalen Bioökonomie. biooekonomierat.de, 7. März 2023; abgerufen am 10. März 2024.Philipp Graf: Bioraffinerien: Nachwachsende Rohstoffe effizient nutzen. In: biooekonomie.de, Themendossiers. 17. November 2015, abgerufen am 11. März 2024.

Durch die stoffliche Verwertung der Biomasse kann in Bioraffinerien eine Vielzahl an Produkten gewonnen werden. Besonders Chemie- und Pharmaindustrien können als Abnehmer dieser Produkte profitieren. Die Weiterverarbeitung von biogenen Kohlenstoffquellen in der Industrie kann durchaus als wettbewerbsfähig angesehen werden.Markus Götz, Andreas Rudi, Raphael Heck, Frank Schultmann & Andrea Kruse: Processing Miscanthus to high-value chemicals: A techno-economic analysis based on process simulation. In: GCB-Bioenergy Volume 14, Issue 14, April 2022, doi:10.1111/gcbb.12923, S. 447–462. Beispielsweise wird Milchsäure fermentativ aus Zucker hergestellt und anschließend chemisch weiterverarbeitet, um den Biokunststoff PLA herzustellen. Ähnliches gilt auch für fermentativ hergestelltes Bioethanol, welches weiterverarbeitet wird zu Bioethylen oder Kraftstoffen.

Rohstoff Biomasse

In der Produktion der technischen und chemischen Industrie werden viele Rohstoffe benötigt, welche kohlenstoffhaltig sind. Das sind, bedingt durch günstige Verfügbarkeit und die Industrialisierung, vor allem Rohstoffe auf der Basis von Erdöl.Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen & Andreas J. Vorholt: Einführung in die Technische Chemie. Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg 2016, ISBN 978-3-662-52855-6.Gerd Mischler: Erdöl – Schmierstoff der Weltwirtschaft. Rohstoff-Steckbrief. In: Technik-Einkauf, Kritische Rohstoffe, 21. Juli 2017; abgerufen am 25. Januar 2024. Allein auf die chemische Industrie entfielen 2017 600 Millionen Tonnen Rohöl, rund 14 % der weltweiten Jahresproduktion und weitere 8 % der weltweiten Jahresproduktion von Erdgas. Über 90 % aller hochwertigen Chemikalien (HVC) werden aus den Zwischenprodukten Naphtha (Erdöl) und Ethen (Erdgas) hergestellt. Der Rest wird überwiegend aus Kohle gewonnen. Nur ein geringer Teil wird bereits aus Biomasse als Rohstoff hergestellt.Bettina Reckter: Die chemische Industrie kann auf Erdöl verzichten In: vdi-nachrichten, Biotechnologie. 13. Juli 2017, abgerufen am 25. Januar 2024. Dieser Anteil liegt bei etwa 5 % und dient in erster Linie zur Herstellung von Produkten wie Wasch- und Reinigungsmitteln und Kosmetika, aber auch von Kunststoffen und Schmiermitteln eingesetzt.Chemie im Wandel (PDF; 1,1 MB). Die drei Grundpfeiler für die Transformation chemischer Wertschöpfungsketten, Impuls. In: Agora Energiewende, 2023; abgerufen am 25. Januar 2024. Zusätzlich steigt die Nachfrage der hochwertigen Chemikalien um durchschnittlich 3,2 % pro Jahr (Berechnet für den Zeitraum 2010–2020).

Konzepte für Bioraffinerien, welche Holz, Stärkepflanzen, landwirtschaftliche Reststoffe, Energiegräser, Grassilage oder sogar Klärschlamm als kohlenstoffhaltige Rohstoffbasis vorsehen, existieren bereits.Manfred Kircher: Weg vom Öl. Potenzial und Grenzen der Bioökonomie. Springer Berlin, Heidelberg 27. August 2020, ISBN 978-3-662-61489-1.Ekaterina Ovsyannikova, Andrea Kruse und Gero C. Becker: Feedstock-Dependent Phosphate Recovery in a Pilot-Scale Hydrothermal Liquefaction Bio-Crude Production. Energies, MDPI, Volume 13, Issue 2, doi:10.3390/en13020379, S. 1–21. All diese Arten von Rohstoffen werden unter dem Begriff der Biomasse zusammengefasst, welche im Grunde eine komplexe Zusammensetzung aus organischen Verbindungen ist, die nicht fossilen Ursprungs sind.Oliver Türk: Stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe. Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, ISBN 978-3-8348-1763-1, S. 169–292.

Einen großen Anteil an dieser Masse machen Verbindungen aus, die zu den Kohlenhydraten, Proteinen (Eiweiße) und Fettsäuren gehören, sowie auch tierische Fette. Daneben finden sich zahlreiche weitere Verbindungen, die aber meist in geringeren Anteilen vorkommen, wie z. B. die Sekundärmetaboliten (bzw. Sekundäre Pflanzenstoffe). Je nach Biomasse, schwanken diese Anteile. Holz beispielsweise hat eine deutlich andere Zusammensetzung, verglichen mit Stärkepflanzen (z. B. Weizen, Mais), Ölpflanzen (Raps, Gras, Soja) oder Pflanzenabfällen.

Ein Beispiel: Betrachtet man die organischen Verbindungen, welche in Holz enthalten sind, so sieht man zunächst drei Gruppen: die Cellulosen, Hemicellulosen und das Lignin. Diese Verbindungen bilden das Grundgerüst der Struktur „Holz“ und bestehen im Grunde aus einem Komplex an Kohlenhydraten bzw. Polysacchariden (Vielfachzuckern). Holz lässt sich mechanisch zerkleinern oder durch Laugen auflösen, wie es beispielsweise bei der Papierherstellung der Fall ist. Dadurch ist es möglich die einzelnen Zucker freizulegen und als Plattformchemikalien weiter zu verwenden.

In Lignin sind neben Kohlenhydraten diverse Phenole enthalten, welche über verschiedene Verfahren, wie zum Beispiel der thermischen Spaltung des Lignins (Pyrolyse), isoliert werden können und im Anschluss in Gas oder flüssiger Form vorliegen.Julia Schuler, Ursel Hornung et al.: Hydrothermal Liquefaction of Lignin. In: Journal of Biomaterials ans Nanobiotechnology, Volume 8, S. 96–108; doi:10.4236/jbnb.2017.81007 Viele landwirtschaftliche Reststoffe enthalten Lignin, welches bisher kaum wirtschaftlich genutzt wird. Zum Beispiel enthält Weizenstroh Anteile zwischen 8 und 30 % oder Rückschnitte von Obstbäumen Anteile zwischen 15 % und 40 %.Lignin. ReBioBW, Potenziale landwirtschaftlicher Reststoffe für die Bioökonomie in Baden-Württemberg; rebiobw.uni-hohenheim.de, 31. März 2023; abgerufen am 27. September 2023. Phenole sind eine Plattformchemikalie zur Herstellung von Kunstharzen, Klebstoffen und Bindemitteln. Auch gibt es Ansätze Lignin stofflich so zu nutzen, dass es für Batterien zur Energiespeicherung oder für Kosmetika und Medizin verwendet werden kann.

Biomasse ohne Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion hat ein besonders hohes Potenzial als Rohstoff für den Einsatz in Bioraffinerien. Um festzustellen, auf welche Weise diese Biomasse genutzt werden kann, ist es notwendig bei der Erstellung von Konzepten für Bioraffinerien alle Stoffströme der verfügbaren Biomasse zu beachten, um mögliche Zielkonflikte zu vermeiden. Solche würden daraus resultieren, wenn der Humusaufbau oder die Kohlenstoffspeicherung in Böden gefährdet sind.

Produkte aus Biomasse werden daher so entwickelt, dass es möglich ist, diese am Ende der Nutzungsdauer recyceln bzw. kaskadenartig weiter zu nutzen. Dies wird als Teil eines ganzheitlichen, kreislauffähigen Wirtschaftskonzepts angesehen, das darauf ausgelegt ist keine Rohstoffe zu verschwenden und gleichzeitig die natürlichen Stoffströme nicht zu stören.

Grundprinzip In einer Bioraffinerie wird versucht, bestimmte hochwertige Naturbausteine, die Präkursoren aus der Biomasse zu isolieren. Dabei wird die Synthese-Vorleistung der Natur genutzt, um entweder aufwendige, künstliche Herstellungsprozesse zu ersetzen, oder um komplexe, nicht künstlich herstellbare Verbindungen zu gewinnen. Diese werden weiter zu Plattformchemikalien verarbeitet, welche als Synthesebausteine für eine Vielfalt höherwertiger Verbindungen dienen. In mehreren weiteren Stufen können so nutzbare Endprodukte hergestellt werden.Birgit Kamm: Biomasse-Wirtschaft und Bioraffinerie-Systeme. LIFIS ONLINE, 2008. / PDF (PDF; 0,4 MB); abgerufen am 10. September 2019.

Eine andere Möglichkeit, die Präkursoren aus der Biomasse zu isolieren, ist über chemische und physikalische Spaltungsprozesse, wie zum Beispiel bei der Synthesegas-Bioraffinerie. Dort werden die Bestandteile bewusst in die chemischen Grundstoffe Kohlenstoffmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) gespalten um daraus wieder komplexe Verbindungen aufzubauen. Gemeinsam haben beide Konzepte, dass ein Teil der Biomasse immer energetisch genutzt wird, um die Energie, welche für das Verfahren benötigt wird, auch nachhaltig bereitzustellen. hochkant=3.5|zentriert|rahmenlosDas Prinzip der Bioraffinerie wurde mit der Zeit so erweitert, dass der Rohstoff bei der Umwandlung in Produkte, möglichst vollständig verwertet wird. Das schließt damit auch die Nutzung der Nebenprodukte mit ein, wodurch die Bioraffinerie an Effizienz und Nachhaltigkeit gewinnt. Je nach Art des eingesetzten Rohstoffs und verwendeten Verfahren zur Isolierung der Präkursoren, können in einer einzelnen Bioraffinerie verschiedene Produkte für die industriellen Bereiche der Chemie, Nahrungsmittelbranche oder Energie hergestellt werden.

Nebenstoffströme enthalten häufig weitere Anteile an nutzbarer Biomasse, welche aufgearbeitet werden müssen. Verbleibt am Ende der Verarbeitung ein nicht mehr stofflich nutzbarer Rest, so wird dieser Anteil immer energetisch genutzt, um damit Strom und Wärme für den Anlagenbetrieb zu generieren. Um Probleme wie hohe Einsätze von Biomasse mit geringer Output-Menge zu vermeiden, wird die Effizienz der Biomasse in der Bioraffinerie gesteigert, durch eine Förderung der Kaskadennutzung. Eine zentrale Fragestellung dabei ist, welche Mengen nachhaltig landwirtschaftlich erzeugter Biomasse genutzt werden können, ohne dabei die Ernährungssicherheit zu beeinträchtigen.

Geschichte und Entwicklungsphasen In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene Definitionen des Begriffs Bioraffinerie ausgearbeitet. Das Energieministerium der Vereinigten Staaten (DOE) definiert eine Bioraffinerie als „ein Gesamtkonzept für eine Verarbeitungsstätte, in der Biomasse-Rohstoffe extrahiert und in eine Reihe wertvoller Produkte umgewandelt werden“.