Hintergrund: In Brasilien fallen - bei der Bioethanolherstellung aus Zuckerrohr - jährlich etwa 250 Mio. Tonnen Bagasse an. Die Reststoffe werden überwiegend energetisch bei einer Verbrennung vor Ort, in der 'USINA', verwertet. Die Prozessdampferzeugung erfolgt mit Wirbelschicht- und Rostanlagen, die teilweise über 50 Jahre alt und häufig nicht energetisch optimiert sind. Die Intensivnutzung der Böden und die Ausbringung von unbehandelten Reststoffen haben eine Versauerung der Böden und eine mangelnde Nährstoffversorgung zur Folge. Diese Defizite des Bodens führen ohne Gegenmaßnahmen zu Degeneration der Zuckerrohrbepflanzung. Ziel: Das Ziel des Vorhabens ist es, die Reststoffe durch thermochemische Verfahren (Vergasung und Verbrennung) energetisch zu verwerten und die bestehenden Prozessketten zu optimieren. Die Verfahren sollen energetisch aber auch hinsichtlich der Eigenschaften der Aschen dahingehend verbessert werden, dass diese nach einer Aufbereitung wieder dem Stoffkreislauf zugeführt werden können. Hierzu werden in Vergasungs- und Verbrennungsprozessen schadstoffarme Aschen erzeugt und zu vollwertigen und konkurrenzfähigen Recyclingdüngern weiterverarbeitet. Zudem besteht die Möglichkeit, die Aschen, denen die Nährstoffe entzogen wurden als (funktionale) Füllstoffe in (Bio-)Polymer-Compounds einzusetzen. In Abstimmung mit den brasilianischen Partnern werden Konzepte für eine nachhaltige Wiederverwertung ermittelt. Mit dem Verbundprojekt kann das ITC seine internationalen Kontakte nach Brasilien hin erweitern und seine langjährige Expertise im Bereich der Verbrennung von schwierigen Brennstoffen (Schwerpunkt Abfall und Biomassen) auf die Reststoffe aus der Zuckerrohrherstellung anwenden. Die Ergebnisse der Untersuchungen, insbesondere zur Anwendung der Aschen in N-P-K-Düngern können auf andere, derzeit durch das Institut betreuten Projekte, z.B. mit Klärschlämmen, Gärresten, Hühnermist, etc. übertragen werden. Angestrebte Ergebnisse: Neben der energetischen Optimierung der Prozesse vor Ort in Zusammenarbeit mit den Anlagenbetreibern und brasilianischen Forschungspartnern sollen zukünftig ökonomisch und technisch umsetzbare Verwertungs- und Nutzungspfade für Aschen aus der thermo-chemischen Umsetzung evaluiert werden. Dabei sind Kriterien wie z.B. der Nährstoffgehalt, die Anlagenverfügbarkeit und das Verbrennungsverhalten von Bagasse, Stroh und Filterkuchen sowie die Nutzung der Vinasse mit den jeweils spezifischen Eigenschaften zu berücksichtigen.
Ziel ist die Entwicklung eines Verfahrens zur nachhaltigen Gewinnung von Levulinsäure (LA) aus Bagasse. LA (ein 'Top Value Added Chemical..' (NREL, 2013)), wird u.a. als antibakterieller Stabilisator in der Dermatologie verwendet. Die Herstellung der LA erfordert bisher den Einsatz umweltproblematischer Säuren. Das Vorhaben leistet einen Beitrag 1) zur nachhaltigen Biomasseverwertung, 2) zum in der europäischen Pharmaindustrie bestehenden Interesse an einer 'sanften' Produktion der LA, 3) zum in Südafrika bestehenden Bedarf an einer Bagassewertschöpfung, welche über die im schwachrentable Ethanolgewinnung hinausgeht. 4) zum Aufbau und zur Pflege eines Netzwerks von Nachwuchswissenschaftlern mit Ziel eines langfristigen wissenschaftlich/persönlichen Austauschs zwischen den südafrikanischen Partnern und TUHH. In verfahrenstechnischer Hinsicht werden zwei Hauptprozesse verknüpft: 1) Ein nachhaltiges Hydrolyseverfahren für Agrarabfälle bei Beschränkung auf erhitztes Wasser unter Hochdruck sowie die Verwendung von Biokatalysatoren. 2) Die Zuckerfragmente aus (1) sind zu LA zu konvertieren, es wird eine nachhaltige Alternative zur Verwendung mineralischer Säuren gesucht. Die Ergebnisse aus diesem Projekt sollen in einen Horizon 2020-Antrag (Waste) einfließen, mit einer Erweiterung der Aufgabenstellung auf weitere Bioabfälle. Die Aufgabenverteilung erlaubt einen optimierten Einsatz der an TUHH, DUT und SMRI vorhandenen Expertisen. WP1, federf. SMRI, umfasst die Vorbehandlung der Biomasse. WP2 die Hydrolyse der Bagasse zu den Bestandteilen der Lignocellulose, hierbei zum einen via Hochdrucktechnologie (TUHH), zum anderen mit organischen Lösemitteln, saurem Aufschluss oder Ionischen Flüssigkeiten (DUT). Ziel WP 3 ist die nachhaltige Konversion zu Levulinsäure. Referenzmethoden (DUT) werden mit Hochdruck- Alternativen (TUHH-TVT) verglichen. Es folgen Modellierungen für industrielle Anwendungen (WP4) und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen (TUHH-IUE, Dr. Straetm.)