Implementationsstudie zur biotechnologischen Produktion von Biopolymeren unter Einsatz digitaler Modelle auf der Basis nachwachsender Rohstoffe und organischer Abfälle: Forschungsbericht 20066302
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Berlin
Umweltbundesamt
2003
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Titel: Implementationsstudie zur biotechnologischen Produktion von Biopolymeren unter Einsatz digitaler Mod
Autor: Meiß, Karl-Michael
Jahr: 2003
3
Implementationsstudie zur biotechnologischen Produktion von Biopolymeren
Inhaltsverzeichnis
1 Prolog.16
2 Einleitung, Ziel und Gegenstand.16
3 Methodisches Herangehen.18
3.1 Datenhandling.19
3.2 Modellierung.19
4 Funktionalüberblick Gesamtanlage.20
5 Biopolymere vs. petrochemische Kunststoffe.22
5.1 Biologisch abbaubare Werkstoffe.23
5.2 Petrochemische Kunststoffe.25
5.3 Charakteristik der Polyhydroxyfettsäuren.26
5.3.1 Struktur.27
5.3.2 Herkunft/Stoffwechselwege.27
5.4 EIGENSCHAFTEN DER PHB.29
5.4.1 Vergleich der Eigenschaften mit petrochemischen Kunststoffen.31
5.4.2 Werkstoffeigenschaften für potentielle Endprodukte: PP vs. PHB.31
5.4.3 Werkstoffeigenschaften für potentielle Endprodukte: PVC vs. PHB.32
6 Poly Lactid Acid (PLA).33
7 Aktueller Stand der PHB-Herstellung.34
7.1 Verfahrenstechnischerstand.34
7.2 phb aus transgenen pflanzen.35
7.3 Preise unterschiedlicher Herkünfte.36
7.3.1 Vergleich des Herstellungspreises und Verwertungs- bzw. Entsorgungspreises
von PHB und PP.37
7.3.2 Ableitung des Herstellungspreises von PHF aus der Literatur.38
7.4 Mengen, Verfügbarkeit.„.39
4
Implementationsstudie zur biotechnologischen Produktion von Biopolymeren
8 Prototypisches Anlagendesign.40
8.1 Biogas: Rohstoff und Substrat fermentativerPHB-Herstellung.43
8.1.1 Überblick über die Biogasgewinnung.43
8.1.2 Beispieldaten zur Verfügbarkeit.45
8.1.3 Kosten des Rohstoffs Methan aus Biogas.48
8.2 Die Fermentation.48
8.2.1 Datenbeschaffung und der Umgang mit Inkonsistenzen.52
8.2.2 Das Modell der PHB-Fermentation.53
8.2.3 Ergebnis der dynamischen Modellierung.58
8.3 Die Aufarbeitung von PHB.58
8.3.1 Die Lösungsmittelextraktion.61
. 8.3.1.1 Datenmaterial und dessen Strukturierung.63
8.3.1.2 Wissenschaftlich-technische Grundlagen.65
8.3.1.2.1 Die Nernstverteilung.65
8.3.1.2.2 Korrekturformel.66
8.3.1.3 Anwendung der Korrekturformel.67
8.3.1.3.1 Anwendung der Formeln zur Auswertung unvollständiger Tabellen. 69
8.3.1.3.2 Modellierung mit Diffusionsgleichung und Stofrtransportmodell.71
8.3.2 Andere Varianten der Aufarbeitung.73
8.3.2.1 DerenzymatischeZellaufschluss.73
8.3.2.2 Zellaufschluss mit erhöhtem Druck.75
8.3.2.3 Verpressung ohne Extraktion der PHB.„.76
8.3.3 Ausblick für den Bereich der Extraktion.77
8.3.3.1 Verallgemeinerte Boltzmanngleichung als Modellgleichung.„.„.77
8.3.3.2 Erweiterte NernstformeL.„.„.'._.79
8.3.3.3 Weitere mögliche „Optimierung" der Lösungsmittelextraktion.„.„.80
8.3.3.4 Modifikationen des Trocknungsprozesses_._83
9 Logistisches Konzept zur Reduzierung von Kostentreibern.83
9.1 Die Analyse produktiver Systeme aus der Sicht der Produktion.84
9.2 die fermentattve herstellung von blokunststoffen (phb).84
9.3 Klassifikation produktiver Systeme.86
5
Implementationsstudie zur biotechnologischen Produktion von Biopolymeren
10 Stoff- und Energiebilanzen.91
10.1 Schematische Darstellung der Stoff- und Energienetzwerke.92
10.2 Gasbilanz von der Biogaserzeugung bis zur Verbrennung.94
10.3 Wasserbilanz für Fermentation und Separation.97
10.4 Energiebilanz von der Biogaserzeugung bis zur Verbrennung.99
10.4.1 Energie der Biogasanlage einschließlich CO2- Wäsche und Kompression. 100
10.4.2 Energie im Fermentationsprozess.101
10.4.3 Energie im Blockheizkraftwerk.102
10.5 Energie- und Massenbilanz in der Extraktion.102
10.5.1 Massenbilanz für den WertstoffPHB.103
10.5.2 Energie- und Wärmebilanz.103
10.5.3 Diskontinuierliche Mehrstufenextraktion (n-fach-Extraktion).105
11 Vergleichende Betrachtungen zum Primärenergiebedarf und der CO2-
Emission.105
11.1 Abschätzende Umweltbeeinflussung für PHF - Datenausgangslage.106
11.1.1 Variantenbetrachtung.111
11.1.1.1 Variante 1: Enzymatische Aufarbeitung und Einsatz eines Tauchstrahlfermenters.111
11.1.1.2 Variante 2: Ausgangsstoff ist Methan aus organischen Rohstoffen.112
11.2 abfallmanagement: primärenergiebedarf und co2-emission bei
verschiedenen entsorgungs wegen.115
11.3 Die Herstellung von (Bio)-Kunststoff und der Bedarf an Energie nach
GERNGROß.116
11.4 Schätzung des Prozessenergiebedarfs für den Prototyp.118
12 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung: Erlös- und Kostensituation.120
12.1 Technologisches Potential zur Optimierung.120
12.2 Wirtschaftliche bzw. wirtschaftspolitische Einflüsse.121
12.3 überschlagsberechnung der kosten für die phb-produktion.121
12.3.1 Investitionskosten und Abschreibungea.122
12.3.2 Betriebskosten.~.123
6
Implementationsstudie zur biotechnologischen Produktion von Biopolymeren
12.3.3 Verstromungserlös.126
12.3.4 Amortisationsdauer.126
12.4 Zusammenstellung der Herstellungskosten.127
12.5 Szenarienplan - Testen von verschiedenen veränderten Parametern . 128
12.5.1 Entwicklung des Zwischenszenario 2.130
12.5.2 Vergleich des Zwischenszenario 2 mit der Basisvariante.133
12.6 Betrachtung von Grenzfällen:.133
12.7 Zusammenfassung.136
13 Rohstoff- und Zielmarkt.137
14 Zusammenfassung.141
15 Anhang.147
7
Implementationsstudie zur biotechnologischen Produktion von Biopolymeren
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Schema der Gesamtanlage.2\
Abbildung 2: Biologisch abbaubare Werkstoffe (BAW) - Grobübersicht.23
Abbildung 3: Molekülstruktur von PHB bzw. PHV.21
Abbildung 4: Biosynthese von PHF: ,*4lcaligenes eutrophus-Weg,".2%
Abbildung 5: Biosynthese von PHF: ,JRhodospirillum rubrum-Weg".29
Abbildung 6: Eigenschaftsvergleich PHB/Biopol und PP.32
Abbildung 7: Vergleich PHV mit PVC.32
Abbildung 8: Vergleich der Eigenschaften von PHB und PLA.33
Abbildung 9: Preisvergleich.36
Abbildung 10: Vergleich des um die Verwertung bzw. Entsorgung „korrigierten" Preises von PP und PHB.38
Abbildung 11: Trend der Preisentwicklung .39
Abbildung 12: Prototyp einer Pilotanlage 3x20 m3 Fermenter mit einer Lösungsmittelextraktion.41
Abbildung 13: Biogasanlage mit angeschlossenem Blockheizkraftwerk im Überblick.44
Abbildung 14: Ausschnitt aus Biogasstandortkarte (Sachsen).47
Abbildung 15: Modifizierter Tauchstrahlfermenter nach Biotechnikum Bohlen.49
Abbildung 16: Fermentationsprozess 1. Stufe {Wachstumsphase).50
Abbildung 17: Fermentationsprozess 2. Stufe (Produktbildung).„.51
Abbildung 18: Netzwerk (exemplarisch und ohne Modul Biogaserzeugung und Extraktion).55
Abbildung 19: Produktisolierung I.„.59
Abbildung 20: Produktisolierung II.60
Abbildung 21: Preprocessing zur Extraktion.„.61
Abbildung 22: Schematischer Ablauf der Lösungsmittelextraktion.62
Abbildung 23 :Graphische Darstellung der Laborwerte versus simulierte Werte.~.„.69
Abbildung 24: Enzymatische Extraktion (Beispiel).„.74
Abbildung 25: Lösungsmittelverbrauch und Gesamt-Extraktionsgrad in Abhängigkeit von der
Extraktionsstufenzahl.81
Abbildung 26:. Die Lösungsmittelextraktion (Beispiel)_._._82
Abbildung 27: Verfahrensarten von Produktionsvorgängen_._.87
Abbildung 28: Organisationsformen der Fertigung „._88
Abbildung 29: Fertigungstypen in der Produktion._.89
Abbildung 30: Andere Merkmale des Transformationsvorganges_._.89
Abbildung 31: Standorte von Biogasanlagen in Sachsen,_---------------------~.9I
Abbildung 32: Abbildung ausgewählter Stoff- und Energienetzwerke der konzipierten Gesamtanlage-----------.93
Abbildung 33: Gasbilanz, Angaben in [kg/h]_.--------------------------------.---------95
Abbildung 34: Wasserströme im Fermentationsprozess und der nachfolgenden Aufarbeitung in [kg/h]_.97
Abbildung 35: Abschätzende Energiebilanz in [kW]_100
g
Implementationsstudie zur biotechnologischen Produktion von Biopolymeren
Abbildung 36: Primärenergiebedarffür PHF im Vergleich zu HDPE und PS.„.109
Abbildung 37: GWP fur PHF im Vergleich zu HDPE und PE.110
Abbildung 38: Variante 1: Korrigierter Primärenergiebedarf fur PHF im Vergleich zu HDPE und PS:.111
Abbildung 39: Variante 1: Korrigierte CQrEmission fur PHF im Vergleich zu HDPE und PS.112
Abbildung 40: Variante 2: Korrigierter Primärenergiebedarf für PHF im Vergleich zu HDPE und PS.113
Abbildung 41: Variante 2: Korrigierte CQz-Emission für PHF im Vergleich zu HDPE und PS.114
Abbildung 42: Beitrag zum anthropogenen Treibhauseffekt bei der Abfallbeseitigung.115
Abbildung 43: Eingesetzte fossile Energie zur Herstellung von je 1 kg Kunststoff.117
Abbildung 44: Prozessenergiebedarf für die PHB-Erzeugung auf der Basis von Methan aus organischen
Rohstoffen im Vergleich zu PHF aus Glucose und fossilem Methan sowie PE.119
Abbildung 45: Kostenanteile für die konzipierte Anlage in der Basisvariante.128
Abbildung 46: Zusammenhang zwischen PHB-Gehalt und Gesamtpreis.131
Abbildung 47: Kostenanteile einer möglichen Anlage (Zwischenszenario 2).132
Abbildung 48: Zusammenhang von PHB-Menge pro Jahr und Investitionskosten.„.134
Abbildung 49: Zusammenhang zwischen PHB-Menge pro Jahr und Gesamtpreis.134
Abbildung 50: Zusammenhang von Auszehrgrad des Methan und der benötigten Biogasmenge.135
Abbildung 51: Zusammenhang von Auszehrgrad des Methan und dem Gesamtpreis.136
Abbildung 52: Mengenfließschema 1. Stufe (Teil 1).147
Abbildung 53: Fortsetzung Mengenfließschema 2. Stufe (Teil 2).;.148
Abbildung 54: Fortsetzung Mengenfließschema Verbrennung, Aufarbeitung (Teil 3).„.149
Abbildung 55: Bilanzen aus Mengenfließschema.150
Abbildung 56: Auszug aus Grundtabelle Fermentation.151
Abbildung 57: Auszug aus der Berechnung mit dem LP-Tableau.152
Abbildung 58: Auszug aus dem Excel-Modell.161
9
Implementationsstudie zur biotechnologischen Produktion von Biopolymeren
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Ausgewählte Eigenschaften von PHB, PHV (Biopol) vs. PP und PVC .31
Tabelle 2: Auszug der Rohdaten (Master I).63
Tabelle 3: Auszug aus Tabelle Master 2.64
Tabelle 4: Auszug aus Tabelle Master 2.64
Tabelle 5 : Vergleich von Labordaten mit den simulierten Werten.68
Tabelle 6 : Vergleich der Labordaten mit den simulierten Daten.72
Tabelle 7: Geschätztes Biogasaufkommen in Sachsen.90
Tabelle 8: Ausgewählte Kenngrößen der PHF-Erzeugung unterteilt nach Produktlebensabschnitten.107
Tabelle 9: Ausgewählte Kenngrößen im Bereich der Entsorgung von PHF und der petrochemischen Kunststoffe
HDPEundPS.108
Tabelle 10: Primärenergiebedarf und CQ2-Emission ausgewählter PHF und petrochemischer Kunststoffe.108
Tabelle 11: Prozessenergiebedarf für den Prototyp.118
Tabelle 12: Ausgewählte Kunststoffe und deren Primärenergiebedarf.118
Tabelle 13: Ausbeutebezogene Substratkosten für alternative Fermentationssubstrate.124
Tabelle 14: Zusammenstellung der Ermittlung der spezifischen Energiekosten für ausgewählte Prozesse.125
Tabelle 15: Szenarienplan und Ergebnisse.129
Tabelle 16: Szenario 1: Bedingungen und Ergebnisse.130
Tabelle 17: Vergleich der Basisvariante mit dem Zwischenszenario 2.133
Tabelle 18: Anwendungsbeispiele.140
Tabelle 19: Patentübersicht (Auszug): Gewinnung der PHB bzw. deren Copolymeren.153
Tabelle 20: Der Energiebilanz zugrunde liegenden Werte der Gesamtanlage in der Basisvariante.154
Tabelle 21: Überblick über das statische (Excel)-Modell der Wirtschaftlichkeitsberechnung: festgelegte
Parameter.„.„.155
Tabelle 22: Auszug aus statischem (Excel)-Modell der Wirtschaftlichkeitsberechnung: festgelegte Parameter mit
Berechnungen.156
Tabelle 23: Auszug aus statischem (Excel)-Modell der Wirtschaftlichkeitsberechnung: Ergebnisse (Teil 1)._157
Tabelle 24: Fortsetzung Ergebnisse.-------158
Tabelle 25: Auszug aus statischem (Excel)-Modell der Wirtschaftlichkeitsberechnung: Kostenzusammenstellung
(Teil 1)._.„.„._159
Tabelle 26 Fortsetzung Kostenzusammenstellung._._160 |
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| spelling | Meiss, Karl-Michael Verfasser aut Implementationsstudie zur biotechnologischen Produktion von Biopolymeren unter Einsatz digitaler Modelle auf der Basis nachwachsender Rohstoffe und organischer Abfälle Forschungsbericht 20066302 von Karl-Michael Meiß und Wolfgang Eisenberg ; Marion Gustrau-Wissing UBA FB 000455 Berlin Umweltbundesamt 2003 178 S. graph. Darst. txt rdacontent n rdamedia nc rdacarrier Texte / Umweltbundesamt 2003,38 Umweltforschungsplan des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Polyhydroxybuttersäuren (DE-588)4175210-7 gnd rswk-swf Biotechnologie (DE-588)4069491-4 gnd rswk-swf Produktion (DE-588)4047347-8 gnd rswk-swf Polyhydroxybuttersäuren (DE-588)4175210-7 s Produktion (DE-588)4047347-8 s Biotechnologie (DE-588)4069491-4 s DE-604 Eisenberg, Wolfgang Verfasser aut Gustrau-Wissing, Marion Verfasser aut Umweltbundesamt Texte 2003,38 (DE-604)BV005532599 2003,38 HBZ Datenaustausch application/pdf http://bvbr.bib-bvb.de:8991/F?func=service&doc_library=BVB01&local_base=BVB01&doc_number=010628226&sequence=000002&line_number=0001&func_code=DB_RECORDS&service_type=MEDIA Inhaltsverzeichnis |
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