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Hydrothermale Biomasseumwandlung

Forscher kontrollieren Biomasseumwandlung mit NIR-Spektroskopie

| Redakteur: Tobias Hüser

Aufbau für die NIR-spektroskopische Analyse von HTC Produkten in diffuser Reflexion.Der Messkopf ist mittels Glasfaser an das NIR-Spektrometer (nicht abgebildet) angeschlossen. Eine Messung benötigt weniger als 1 Sekunde. Unterschiedliche Sonden bzw. Messköpfe könnenan das Spektrometer angeschlossen werden und der Messaufbau so an unterschiedliche Messbedingungen angepasst werden.
Aufbau für die NIR-spektroskopische Analyse von HTC Produkten in diffuser Reflexion.Der Messkopf ist mittels Glasfaser an das NIR-Spektrometer (nicht abgebildet) angeschlossen. Eine Messung benötigt weniger als 1 Sekunde. Unterschiedliche Sonden bzw. Messköpfe könnenan das Spektrometer angeschlossen werden und der Messaufbau so an unterschiedliche Messbedingungen angepasst werden. (Bild: Fh-ICT)

Forscher haben einen neuen Ansatz gefunden, um Biomasse zielgerichtet in unterschiedlichste Wertstoffe umzuwandeln. Mithilfe der Nah-Infrarot-Spektroskopie lassen sich die im Prozess entstehenden Produkte zeitnah, robust und kostengünstig erfassen. Die ansonsten schwer zu kontrollierenden Konversionsprozsse gelingen so gezielter und effizienter. Auch die Schadstoff-Produktion wird vermindert.

Potsdam – Die Verfahren zur Herstellung von Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen beruhen in der Regel auf biologischen oder thermochemischen Prozessen. Das thermochemische Verfahren der hydrothermalen Stoffwandlung nutzt ein wässriges Reaktionsmedium und kann so auch feuchte Biomasse verwerten.

Je nach Prozessgestaltung lassen sich auf diese Weise sowohl flüssige, feste als auch gasförmige Produkte erzeugen. Wie bei allen thermochemischen Prozessen ist die Produktbildung jedoch wenig selektiv, so dass neben den gewünschten Produkten eine hohe Anzahl unerwünschter Stoffe entsteht, die zum einen die Ausbeute verringern und zum anderen die Aufreinigung verteuern.

Mit diesem Problem beschäftigen sich Wissenschaftler am Leibniz-Institut für Agrartechnik in Potsdam (ATB) und am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal. Im Fokus der Kooperation stand die Frage, wie der Prozess der hydrothermalen Carbonisierung (HTC) effizienter gestaltet werden kann. Hauptprodukt hierbei ist Biokohle, ein kohlenstoff- und energiereicher Feststoff. Biokohle kann als Energieträger Verwendung finden, wird aber darüber hinaus für eine Reihe weiterer Anwendungsbereiche geprüft: von der Bodenverbesserung bis zur Elektrotechnik.

Nachbereitung erforderlich

Die Carbonisierung findet bei Temperaturen von 180 bis 250 °C und Drücken zwischen 20 und 50 bar statt. Der HTC-Prozess liefert zunächst einen Kohleschlamm, der anschließend entwässert werden muss. In der Regel ist sowohl die Kohle als auch die Flüssigkeit hochgradig mit einer breiten Palette an chemischen Verbindungen belastet, die eine Nachbereitung erforderlich machen.

In der Fachzeitschrift „Bioresource Technology“ berichten die Wissenschaftler über den Einsatz von Nah-Infrarot (NIR) zur spektroskopischen Ermittlung der sich im Prozess bildenden HTC-Produkte. Demnach eignet sich die NIR zur Bestimmung der Kohlequalität einschließlich der durch Begleitstoffe, wie z.B. Phenol, entstehenden Verunreinigungen. Darüber hinaus ermöglicht das NIR-Monitoring auch die Bestimmung potentieller Wertstoffe in der Prozessflüssigkeit, wie Hydroxymethylfurfural, einer als Kraftstoff nutzbaren Chemikalie. Hierzu wurden die Rohdaten der NIR Messungen durch PLS (Partial Least Squares) Regression in Modelle überführt.

Ausgangsmaterial für diese Arbeiten war Maissilage. Als nächstes planen die Wissenschaftler, die Anwendbarkeit auch für andere Biomassen zu erproben. Wirtschaftlich interessant sind dabei vor allem wasserreiche Reststoffe wie Klärschlamm, Gärreste und Exkremente aus der Tierhaltung. Die NIR-Spektroskopie hat das Potenzial, als industrietaugliches Messverfahren zur Steuerung einer HTC-Anlage eingesetzt zu werden. An einem Konzept wird derzeit gearbeitet.

Großes wirtschaftliches Potenzial

Zu den möglichen Anwendungen für eine NIR-gesteuerte HTC gehört die Erzeugung hochwertiger, schadstoffarmer Biokohle aus Gärresten, einem Arbeitsschwerpunkt der am ATB ansässigen Nachwuchsgruppe APECS. „HTC-Biokohle besitzt sowohl in Industrie als auch Landwirtschaft hohes Anwendungspotenzial“, hebt Projektleiter Dr. Jan Mumme den Mehrwert dieses Materials hervor.

„Neben der Kohle können durch die HTC eine Reihe wirtschaftlich sehr interessanter Plattformchemikalien“ gewonnen werden, ergänzt Dr. Toufiq Reza, der Chemieingenieur des Teams. „Nach unserer Überzeugung kann die NIR-basierte Steuerung hydrothermaler Verfahren wesentlich dazu beitragen, entsprechende Anlagen für eine breite Palette von Anwendungen zu rüsten und deren Attraktivität für Investoren und Anwender entscheidend zu erhöhen.“

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