Energiekosten sparen mit Membranverfahren

Membrantechnik ist ein physikalisches Separationsverfahren zur Flüssig/Flüssig- und Flüssig/Fest-Trennung. Mit ihr lassen sich Stoffe bestimmter Größen, Formen oder Eigenschaften zurückhalten. Besonders in der Milch-, Zucker-, Lebensmittel-, Stärke- sowie Getränkeindustrie haben sich Membranen als unverzichtbares Verfahren etabliert. Aber auch in der Produktion von Biodiesel ist der Einsatz von Membranen stetig steigend. Hier leisten sie einen wichtigen Beitrag zum Recycling von Prozesswasser. Bei der Herstellung organischer Säuren, die als Grundlage für biologisch abbaubare Kunststoffe dienen, ist die Membrantechnik gerade dabei, sich als unverzichtbares Hilfsmittel zu etablieren.

Aber auch in integrierten Bioraffinerien lassen sich Mikrofiltration-, Ultrafiltration-, Nanofiltration- sowie Umkehrosmose-Membranen einsetzen. Hier können sie einen wichtigen Beitrag zur kontinuierlichen Fermentation leisten. In den kommenden Jahren wird die Biokraftstoffindustrie dazu Dutzende Pilot- und Demonstrationsanlagen in Betrieb nehmen.

Bioethanol aus stärkehaltigen Pflanzen wie Mais und Weizen ist der am weitesten verbreitete Biokraftstoff. Die Rohstoffpflanze wird dabei gemahlen, Stärke in eine Zuckerlösung umgewandelt und anschließend durch Hefeorganismen fermentiert. Dieses konventionelle Verfahren erzeugt einen Kraftstoff der sogenannten ersten Generation. Ein ähnliches Verfahren wird angewendet, um aus Soja und Zuckerrüben Biodiesel zu erzeugen. Bei den Biokraftstoffen der ersten Generation kam es den Betreibern hauptsächlich auf die Produktion der Kraftstoffe an; die anfallenden Beiprodukte wurden als Abfall bzw. geringwertige Produkte angesehen.

Umweltbedenken sowie massive staatliche Subventionierung führten zur Entwicklung von Kraftstoffen der zweiten Generation, die einerseits die Ausbeute erhöhen und andererseits die Abfallmenge reduzieren sollen. In dieser Prozesskette lassen sich Membranen zur Verfahrensverbesserung einsetzen. Bei der Herstellung von Ethanol auf Zellulosebasis werden mithilfe von Enzymen sowie Säuren/Laugen die fermentierbaren Materialien aus Maisstängeln und anderen landwirtschaftlichen Abfallprodukten extrahiert. Es wird also Zellulose in Zucker umgewandelt, der dann wiederum zu Alkohol fermentiert wird. Ultrafiltration (UF) eignet sich zum Beispiel zur Klärung der Zuckerlösung nach dem Saccharifikationsprozess. Einige Prozesse verwenden Säuren oder Laugen. Nanofiltration (NF) lässt sich hier zur Wiedergewinnung und Konzentration der nützlichen Zucker wie Hemizellulose einsetzen. Mittels Umkehrosmose (RO) wird Wasser im Prozess recycelt. Membranfiltration kommt auch bei der Herstellung von organischen Säuren zum Einsatz. Bild 1 zeigt beispielhaft die Einsatzmöglichkeiten von Membranen in konventionellen, stärkebasierten Biokraftstoffprozessen auf.

In Bioraffinerien sowie bei Biokraftstoffen der zweiten Generation werden Membranen in kontinuierlichen sowie Batch-betriebenen Fermentationsprozessen zur Produktion von organischen Säuren und Aminosäuren eingesetzt (unter Zuhilfenahme mesophiler und thermophiler Organismen). Allgemein gilt:

Die Tabelle listet die wichtigsten Membrananwendungen beim Einsatz von Biokraftstoffen der zweiten Generation auf.

Im Vergleich zur energieintensiven Verdampfertechnik verfügen Membranen beim Wasserrecycling über ein großes Potenzial bezüglich Betriebskostensenkung. Bild 2 stellt einen Vergleich beider Technologien dar. Das Beispiel basiert auf Anlagen der ersten und zweiten Generation, in denen Zucker zu Ethanol fermentiert wird.

Im Vergleich zu einem 5-stufigen Verdampfer lassen sich die Betriebskosten durch Umkehrosmose um bis zu 75 % senken. Sie kann dabei sowohl als Stand-alone-Lösung als auch in Kombination mit einem Verdampfer eingesetzt werden.

Proteine, Peptide und Aminosäuren lassen sich durch Nanofiltration in reiner Form rückgewinnen. Sie bietet zudem den teilweisen Rückhalt von Salzen und Zucker. Bild 3 zeigt eine typische RO/NF-Anlage.

Kontinuierliche Fermentation statt Batch-Prozess – dies ist das große Entwicklungsziel der Biokraftstoffbranche. Membranen liefern hierbei den Schlüssel zum Erfolg, da sie auch bei hohen Temperaturen betrieben werden können. In thermophilen Prozessen (Mikroorganismen, die bei Temperaturen um +70 bis +78 °C aktiv werden) lassen sich Destillationskolonnen kontinuierlich beschicken. Durch den Einsatz von Hochtemperaturmembranen im Bioreaktor wird die Biomasse im Fermenter zurückhalten, während die Fermentationsbrühe kontinuierlich abgezogen werden kann. Die Anzahl der zyklischen Fermenter – und damit auch der Investitionskosten – lässt sich dadurch reduzieren. In den kommenden Jahren werden viele Demonstrationsanlagen mit kontinuierlicher Fermentation in Betrieb gehen. Membranen werden hier einen wichtigen Beitrag leisten.

Membrantechnik wird seit langem in der industriellen Abwasserbehandlung eingesetzt. Waschwasser aus der Biodieselproduktion weist eine hohe Schmutzfracht auf und wurde in der Vergangenheit üblicherweise unbehandelt in die örtliche Kläranlage eingeleitet. Hohe Umweltauflagen verhindern dies aber mittlerweile. In Gebieten mit Wasserknappheit hat zudem vermehrt Wasserrecycling Vorrang vor Entsorgung. Die BSB- und CSB-Werte im Abwasser werden oft mittels anaerober Verfahrenstechnik abgebaut. Eine anschließende Ultrafiltration konzentriert den Belebtschlamm auf; das Permeat wird in einer Umkehrosmose aufbereitet und der Produktion als Prozesswasser wieder zugeführt. Membranbioreaktoren (MBR), bei denen die UF-Membranen direkt in den Belebtschlamm eingetaucht werden, bieten hier eine sehr platzsparende Alternative.

Riesige Summen an staatlichen aber auch privatwirtschaftlichen Fördergeldern fließen in die Forschung neuer Biokraftstoffe und integrierter Bioraffinerien. Ein Großteil davon konzentriert sich auf die Erhöhung der Produktausbeute und Nachhaltigkeit von Biokraftstoffen sowie der Senkung der Abfallstoffe und Energiekosten. Der ökonomische Einsatz der gegebenen R&D-Ressourcen ist ein Schlüssel zum Erfolg auf dem Weg zur schnellen Entwicklung neuer Produkte und Prozesse. Membran-Pilotanlagen können hierbei einen wichtigen Beitrag leisten. Darüber hinaus sind sie auch ein ideales Tool, um bestehende Prozesse zu optimieren und damit deren Wirtschaftlichkeit zu erhöhen.

Online-Info www.cav.de/0810427