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Verfahrenslösungen zur Nutzung nachwachsender Rohstoffe

Verfahrenslösungen zur Nutzung nachwachsender Rohstoffe
Autor: Ingo Ackermann und Klaus Richter
Quelle: Nr. 4, 4. Jahrgang
Datum: Dezember 1995

Ergebnisse von TA-Projekten - Neue TA-Projekte

Verfahrenslösungen zur Nutzung nachwachsender Rohstoffe

von Ingo Ackermann und Klaus Richter, ATB

1. Organisatorische Einbindung des Arbeitsgebiets am Institut für Agrartechnik Bornim

Das Institut für Agrartechnik Bornim (ATB) ist eine Einrichtung der Wissenschaftsgemeinschaft "Blaue Liste" mit der Aufgabe, anwendungsorientierte Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Agrartechnik durchzuführen. In der Gründungsempfehlung des Wissenschaftsrats hieß es unter anderem: "Die Neuorientierung der Landwirtschaft in einem hoch industrialisierten Land wie der Bundesrepublik bedarf dringend einer grundlegenden, auf einem umfangreichen Systemansatz beruhenden biologisch-technischen Begleitforschung".

Diese Empfehlung führte mit der Gründung der Fachabteilungen Bioverfahrenstechnik (1), Stoffkreisläufe und Energieströme (2) und Technikbewertung (3) zu einer unter deutschen agrartechnischen Forschungseinrichtungen einmaligen Struktur.

Während die beiden Querschnittsabteilungen Technikbewertung und Stoffkreisläufe und Energieströme spezifische Ergebnisse aus den ingenieurwissenschaftlichen Abteilungen miteinander vernetzen und durch Aspekte der Technikfolgenabschätzung sowie der Steuerung von Stoff- und Energieströmen bereichern, wird in der Bioverfahrenstechnik schwerpunktmäßig die stoffliche Umwandlung landwirtschaftlicher Roh- und Reststoffe mit Hilfe von Mikroorganismen und Enzymen untersucht.

Hierdurch bestehen günstige Voraussetzungen zur Bearbeitung eines komplexen Sachgebiets wie die Nutzung nachwachsender Rohstoffe, die sowohl Kenntnisse der Werkstoffkunde und der Konversionstechnik voraussetzt, als auch eine umfassende Beurteilung der Umweltwirkungen erfordert.

Dem Arbeitsgebiet nachwachsende Rohstoffe wurde aufgrund seiner Perspektiven der Status eines Institutsprojekts verliehen. Damit verbunden ist der Auftrag, eine gemeinsame Bearbeitungsstrategie zu entwikkeln.

2. Bearbeitungsstrategie

Die Marktchancen von Produktlinien auf der Basis nachwachsender Rohstoffe hängen ausser von der ökonomischen Wettbewerbsfähigkeit von der Akzeptanz dieser Produkte durch die Verbraucher ab. Abgesehen von den Gebrauchseigenschaften eines Produkts beeinflußt dessen spezifische Botschaft in zunehmendem Maße die Verbraucherakzeptanz und damit den Markterfolg. Produktlinien mit einer vorteilhaften Ökobilanz werden bei steigender Kaufkraft verstärkt nachgefragt. Diesem Zusammenhang wird durch eine möglichst vollständige Bilanzierung der Umweltwirkungen Rechnung getragen.

Darüber hinaus hat das Institut in seiner Arbeit die besonderen Gegebenheiten der Neuen Bundesländer zu berücksichtigen. Die Situation im ländlichen Raum Ostdeutschlands ist durch einen verstärkten Abwanderungsdruck und große Entfernungen zwischen den Landwirtschaftsbetrieben einerseits sowie Handel und Verarbeitern andererseits charakterisiert. Der letztgenannte Aspekt spricht für den Aufbau regionaler Verarbeitungs- und Nutzungskonzepte.

Entscheidende Bedeutung kommt der unterdurchschnittlichen Kapitalausstattung ostdeutscher Unternehmen zu. Flops im Produktprogramm können schnell zu bedrohlichen Liquiditätsproblemen führen. Ein Beleg dafür ist die hohe Insolvenzquote, die im Jahr 1994 einen bundesdeutschen Rekord markierte. Vor diesem Hintergrund findet der Risikoaspekt besondere Berücksichtigung bei der Bewertung von Produktlinien nachwachsender Rohstoffe.

Ein weiterer relevanter Aspekt bei der Nutzung nachwachsender Rohstoffe ist in der Erprobung neuer Einsatzfelder zu sehen. Dieser Grundsatz findet vor allem in den innovativen Grundlagenuntersuchungen zur Biokonversion Anwendung, deren Erkenntnisse häufig als Prinziplösungen für die Zukunft im Sinne einer Vorsorgeforschung aufgefaßt werden können.

3. Projekte zur energetischen Nutzung nachwachsender Rohstoffe

Angesichts der strukturellen Defizite Ostdeutschlands wurde die Frage aufgeworfen, auf welche Weise sich non-food Projekte fern von der Verarbeitungsindustrie realisieren lassen. Zur Beantwortung dieser Frage wurde ein Projekt mit dem Ziel initiiert, das Konzept einer lokalen Erzeugung und Verwertung pflanzenölbasierter Dieselkraftstoff-Produktlinien auf seine Machbarkeit zu untersuchen.

Dieses Vorhaben wurde zwischenzeitlich mit einem Forschungsbericht [1] abgeschlossen. Die Ergebnisse der Untersuchung lassen erkennen, daß die Realisierung einer pflanzenölbasierten Dieselkraftstoff - Produktlinie im Einzugsbereich des Rohstofferzeugers technisch möglich ist. Darüber hinaus gibt die Studie Auskunft über die ökonomische Vorzüglichkeit und über ökologische Aspekte pflanzenölbasierter Dieselkraftstoff-Produktlinien.

Zum anderen wurde eine regionale Studie über das energetische Potential der land- und forstwirtschaftlich verfügbaren Biomasse in Brandenburg erstellt. Im Ergebnis wurde nachgewiesen, daß das energetische Potential aus land- und forstwirtschaftlichen Quellen etwa 10% des gegenwärtigen Endenergiebedarfs des Landes decken kann. Das mit dieser Studie verfolgte Ziel der Politikberatung kennzeichnet ein wesentliches Aufgabenfeld der Technikfolgenabschätzung.

Weitere Untersuchungen zielen darauf ab, eine verbesserte Verfahrenskette für die Ernte und den Massenumschlag von Halmgut - Energieträgern zu erproben und die Vorzüglichkeit potentieller Energiepflanzen auf Grenzstandorten der Produktion zu ermitteln. Für diesen Zweck wurde eine etwa 2 ha große Energieplantage am Standort Potsdam - Bornim angelegt. Die Ergebnisse dieses institutsübergreifenden Anbauversuchs sollen Hinweise zur Wettbewerbsfähigkeit von Kurzumtriebsgehölzen, Miscanthus, Energieroggen, Topinambur und Mais unter kontinentalen Klimaverhältnissen liefern.

Die Erkenntnisse aus diesem Anbauversuch fließen zusammen mit externen Versuchsergebnissen in die Modellierung der ökologischen und ökonomischen Effizienz nachwachsender Energieträger auf Grenzstandorten ein. Diesem Projekt liegt die Überlegung zugrunde, daß die Nutzungskosten des Energiepflanzenanbaus auf marktfernen Grenzstandorten relativ niedrig sind. Alternativen zur klassischen Nahrungsrohstoffproduktion der Landwirtschaft dürften auf diesen Standorten eine gute Ausgangsposition haben, zumal auch die Politik ein Interesse an der Funktionsfähigkeit des ländlichen Raums hat. Selbst konsequenten Anhängern einer liberalen Wirtschaftspolitik ist mittlerweile klar, daß eine weitere Konzentration der Entwicklung auf urbane Ballungszentren ökologische und soziale Folgekosten nach sich zieht. Diese sozialen Folgekosten sind den Förderaufwendungen der Strukturpolitik gegenüberzustellen. Hierbei sind Szenarien zu entwickeln, um Ansätze für eine wirksame Strukturpolitik aufzuzeigen.

Dem Risikoaspekt wird unter anderem dadurch Rechnung getragen, daß die Erträge aus der Energieerzeugung variiert werden. Zu diesem Zweck werden die Streuungsmaße für den anlegbaren Wärmepreis aus einer Serie von Modellvorhaben mit Biomassefeuerungsanlagen ausgewertet. Die Realitätsnähe des Modells steigt durch zusätzliche Variation des Biomasseertrags.

4. Projekte zur stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe

Im Bereich der stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe wurde zunächst das Wertschöpfungspotential pflanzlicher Substanzen analysiert. Für diesen Zweck wurden eine Reihe von marktgängigen Basischemikalien analysiert, wobei die Konversionszahl als Maß für die potentielle Wertschöpfung definiert wurde:

Rohstoffbedarf (t/d) * Rohstoffpreis (ECU /t)

Konversionszahl = ______________________________________________

Zielproduktausbeute (t /d) * Zielproduktpreis (ECU / t)

Die quantitative Formulierung läßt erkennen, daß eine positive Wertschöpfung nur mit einer Konversionszahl kleiner als 1 zu erreichen ist und daß das Wertschöpfungspotential mit kleiner werdender Konversionszahl zunimmt. Die Berücksichtigung weiterer Faktoren, wie Absatzpotentialschätzungen und Kenntnisse der biotechnischen Erzeugung von Basischemikalien führten schließlich zur Auswahl organischer Säuren (Milchsäure, Propionsäure, Gluconsäure) als attraktive Zielprodukte.

Die genannten Zielprodukte können aus Pflanzenzucker und indirekt aus Pflanzenstärke durch Fermentationsprozesse gewonnen werden. Eine ökonomische Analyse der Bereitstellungskosten verschiedener Rohstoffträger ließ erkennen, daß Zuckerpflanzen den Stärketrägern im allgemeinen überlegen sind [2]. Allerdings sinkt der Kostennachteil für Stärkepflanzen mit zunehmender Entfernung zur Verarbeitungsanlage. Optimale Fruchtfolgen-Systeme für beide Pflanzengruppen wurden ermittelt. Berücksichtigung fanden dabei sowohl die wichtigsten konventionellen (Getreide, Zuckerrübe) als auch einige alternative (Zuckerhirse, Topinambur) Rohstoffpflanzen.

Auf dem Gebiet der mikrobiellen Konversion wurden die Grundlagenuntersuchungen im Labor zur Erzeugung von Milchsäure aus Zuckerhirse mit einem Versuchsbericht [3] abgeschlossen. Veröffentlichungen dazu sind in [4] und [5] zu finden. Gegenwärtig werden die Arbeiten im Technikumsmaßstab fortgeführt mit den Zielen Maßstabsübertragung, Verbesserung der Produktabtrennung und Musterbereitstellung für Applikationsuntersuchungen. Letztere beziehen sich auf die Weiterverarbeitung der Milchsäure zu biologisch abbaubaren Polymeren (Polylactate) und den alternativen Einsatz dieser Substanz in der Landwirtschaft bei der Konservierung und Silierung von Futtermitteln sowie als Reinigungs- und Desinfektionsmittel. Jede der genannten Zielrichtungen wird im Rahmen von Einzelprojekten verfolgt.

Gegenstand der Forschung ist auch die Frage nach einer längerfristigen Verfügbarkeit der Zuckerhirse als Rohstoffgrundlage. Bisher war dies wegen des schnellen Zuckerabbaus nur wenige Wochen über den Erntezeitraum hinaus möglich. Lösungsansätze dafür werden u.a. in einer mit speziellen Hilfsmitteln durchgeführten Silierung des gehäckselten Materials gesehen. Um die Eignung der Silierung als Konservierungsmethode zu überprüfen und darüber hinaus Hinweise zur Ernte zu bekommen, hat eine Serie von Zukkerhirse-Anbauversuchen auf zunächst 0,25 ha am Standort Potsdam - Bornim begonnen.

Laborergebnisse liegen auch vor zur direkten Umsetzung von Körnergetreide in Milchsäure [6]. Die Weiterführung dieser Arbeiten sowie die Einbeziehung von Topinambur und Wurzelzichorie als Rohstoffträger sind vorgesehen.

Die ökonomische und ökologische Bewertung der verschiedenen Verfahrensvarianten wird an Hand der im Technikumsmaßstab erbrachten Leistungsparameter und der bei den Applikationsuntersuchungen gewonnenen Erkenntnisse vorgenommen werden.

5. Literatur

[1] Ackermann, I.: Einsatzchancen eines pflanzenölbasierten Dieselkraftstoffgemisches (BIONOL) im ländlichen Raum. Forschungsbericht 1995/8, Institut für Agrartechnik Bornim.

[2] Ackermann, I.: Ökonomische Aspekte der Bereitstellung von Pflanzenstärke und zucker als Industrierohstoffe. In: Biokonversion nachwachsender Rohstoffe und Verfahren zur Reststoffbehandlung, Bornimer Agrartechnische Berichte, Heft 6 (1994), 78-90.

[3] Richter, K.: Mikrobielle Erzeugung von Milchsäure aus Zuckerhirse (Untersuchungen im Labormaßstab), Forschungsbericht 1995/7, Institut für Agrartechnik Bornim.

[4] Richter, K., Träger, A.: L(+)-Lactic Acid from Sweet Sorghum by Submerged and Solid-State Fermentations. Acta Biotechnologica 14 (1994), Heft 4, 367-378.

[5] Richter, K.: Die Erzeugung von Milchsäure aus Zuckerhirse. In: Biokonversion nachwachsender Rohstoffe und Verfahren zur Reststoffbehandlung, Bornimer Agrartechnische Berichte, Heft 6 (1994), 15-33.

[6] Richter, K.: Aus Roggenmehl wird Milchsäure. Direktverwertung von Getreide mit Hilfe der Biotechnologie. Landtechnik, 50 (1995), Heft 6 (in Druck).

Kontakt

Dr. I. Ackermann
Abteilung Technikbewertung
Institut für Agrartechnik Bornim e.V.
Max-Eyth-Allee 100, 14469 Potsdam-Bornim
Tel.: +49 331 5699-310