"nachhaltige technologien" 1|2020

as Potential biogener Ressourcen und die Verar- beitung deren wertvoller Bestandteile wie Cellulose, Hemicellulose und Lignin ist enorm. Lignocellulo- sehältige Abfälle dienen als Ausgangsstoff für eine Vielzahl von Produkten mit hoher Wertschöpfung in der biobasierten Industrie, der Lebensmittel- und Pharmaindustrie sowie im Zellstoff- und Papiersek- tor. Um land- und forstwirtschaftliche Reststoffe oder Lebensmittelabfälle als kostengünstige und nachhaltige Rohstoffe für die Herstellung hoch- wertiger Chemikalien und Materialien einzusetzen, bedarf es neuer Bioraffineriekonzepte, die mittels emergierender 1 Technologien eine effiziente Pro- zesskette realisieren. Der Einsatz von oszillierenden Reaktoren für die enzymatische Hydrolyse könnte so eine Schlüsseltechnologie mit dem Ziel höherer Produktausbeute bei gleichzeitig geringerem Enzym- einsatz und niedrigem Energiebedarf sein. Kosten als Herausforderung beim Ersatz von fossil basierten Herstellungsverfahren Um mit fossil basierten Herstellungsrouten konkur- rieren zu können, gilt es einige Herausforderungen in der Bioraffinerie zu meistern. In industriellen enzy- matischen Umwandlungsprozessen ist zum Beispiel die enzymatische Verzuckerung (=Hydrolyse) von Cellulose und Hemicellulose und die nachfolgende Extraktion der Zucker oft sehr ineffizient. Unabhän- gig von den enormen Anstrengungen der letzten Jahrzehnte bleiben die tatsächlichen Kosten dieses Prozessschrittes aufgrund zweier stark miteinander zusammenhängender Faktoren hoch: Einerseits stellt die große Menge an Enzymen, die für eine bestimmte Umwandlung pro Zeiteinheit benötigt wird einen großen Kostenfaktor dar, und andererseits bedingt die langsame Reaktionskinetik eine lange Verweil- zeit für die Umwandlung. Durch einen geringeren Enzymbedarf und eine kürzere Hydrolysezeit könnten erhebliche Kosteneinsparungen erzielt werden. Oszillierende Reaktoren bieten Vorteile In der Regel wird die enzymatische Hydrolyse im Batch-Betrieb in Rührkesselreaktoren (Stirred Tank Reactor - STR) durchgeführt. Trotz seiner konzep- tionellen Einfachheit und des weitverbreiteten Einsatzes in der industriellen Verarbeitung hat der STR jedoch eine Reihe grundlegender Nachteile aus reaktionstechnischer Sicht. Rührkesselreaktoren lei- den insbesondere bei „thick slurries“ unter unzurei- chender Durchmischung und einem unstrukturierten Massenfluss, was zu Problemen in der Prozessüber- wachung und -steuerung führen kann. Ein weiteres wesentliches Hindernis in der Bioverfahrenstechnik ist die Durchführung von Reaktionen bei hohen Fest- stoffbelastungen, wodurch in vielen Verfahren große Wassermengen zur Verdünnung der Ausgangsstoffe eingesetzt werden, und in weiterer Folge Energie für Aufkonzentrationsschritte nötig ist. Um für hohe Feststoffbeladungen einen struk- turierten Reaktionsablauf für den langsamen Hydrolyse-Prozess realisieren zu können, wurde bei AEE INTEC ein oszillierender Bioreaktor (Oscillatory Flow Bioreactor - OFB) auf Basis von oszillierenden Strömungsreaktoren entwickelt. Oszillierende Strömungsreaktoren wurden für ver- schiedene Prozesse wie Separationen, Flockungen und Polymerisationen untersucht [1,2] , wobei eine sig- nifikante Verbesserung des Wärme- und Stoffaustau- sches bereits in mehreren Studien Anfang der 90er Jahre gezeigt wurde. Ein allgemeines Kernmerkmal D Oszillierende Reaktoren in der Bioraffinerie Judith Buchmaier, Bettina Muster-Slawitsch 1 Bedeutung von emergieren in Duden online: auftauchen, emporkom- men, sich hervortun (https://www.duden.de/rechtschreibung/emergieren ) Zellulose und Lignocellulose als wertvolle Rohstoffe für die Industrie Foto: AEE INTEC 15 14 BIORAFFINERIE