Wenig Kohlenstoff, große Wirkung: Bioabfälle optimal nutzen
Herstellung nützlicher Materialien aus Bioabfällen mittels Pyrolyse
Dr. Daniel Nowakowski, Aston University, Energy and Bioproducts Research Institute
Die Pyrolyse von Bioabfällen könnte eine kohlenstoffärmere und nachhaltigere Methode zur Herstellung von Chemikalien bieten, die gegenwärtig aus Petrochemikalien hergestellt werden. Doch wie lässt sich angesichts der Vielfalt der Bioabfälle die bestmögliche Nutzung einer bestimmten Ressource bestimmen? Wir haben mit Dr. Daniel Nowakowski vom Energy and Bioproducts Research Institute (EBRI) der Aston University über die Herausforderungen bei der thermischen Verarbeitung von Bioabfällen gesprochen – und darüber, wie er und sein Team durch die Zusammenarbeit mit Shimadzu das Potenzial verschiedener Ausgangsstoffe optimal ausschöpfen können.
Die vielfältige Zusammensetzung von Bioabfällen
Der Begriff „Bioabfälle“ bezeichnet eine Vielzahl von Materialien – von Getreidehalmen über Holzspäne und Hopfenreste bis hin zu Seetang. Allen gemein ist jedoch, dass es sich dabei bis vor Kurzem um lebendes Material handelte, das Kohlenstoff aus der Atmosphäre gebunden hat. Somit lässt sich der große CO2-Fußabdruck fossiler Brennstoffe vermeiden.
Bioabfälle werden schon lange in Form von Kompost zur Aufbereitung oder Düngung von Böden oder zur Wärmegewinnung durch Verbrennung verwendet. Es setzte sich jedoch zunehmend die Erkenntnis durch, dass aus Bioabfällen auch nützliche Chemikalien gewonnen werden können, wenn sie bei der sogenannten Pyrolyse unter Luftausschluss hohen Temperaturen ausgesetzt werden.
Diese Erzeugnisse können sehr vielfältig sein, so Dr. Daniel Nowakowski, ein Experte für Pyrolyse an der Aston University in Großbritannien: „Durch die kontrollierte Erhitzung von Bioabfällen können wir feste, flüssige und gasförmige Stoffe mit vielen nützlichen Anwendungsmöglichkeiten erzeugen.“
Analyse der Ausgangsmaterialien zur Erzielung des größtmöglichen Nutzens
Als Dozent für Chemieingenieurwesen und Angewandte Chemie am Aston Energy and Bioproducts Research Institute (EBRI) kennt Dr. Nowakowski die Arten von Bioabfallquellen und die Verwendungsmöglichkeiten der daraus entstehenden Erzeugnisse ganz genau – von der Kohlenstoffspeicherung im Boden bis hin zu umweltfreundlichen Kraftstoffen.
Dieses Wissen kommt jeden Tag zum Einsatz, nicht nur in der Grundlagenforschung des Teams, sondern auch in der Projektarbeit für Behörden, Organisationen und Unternehmen, die mehr aus ihren Bioabfällen herausholen möchten. Wenn dem Team eine Bioabfallprobe zur Analyse übergeben wird, stellt es sich eine Frage: „Wie lässt sich das Pyrolyseverfahren anpassen, um Erzeugnisse mit größtmöglichem Wert oder Nutzen zu gewinnen?“
Dr. Nowakowski erklärt, dass das Ziel beispielsweise darin bestehen könnte, die Ausbeute eines bestimmten Erzeugnisses zu maximieren oder eine unerwünschte Verunreinigung zu beseitigen.
„Die Ermittlung der entsprechenden Verarbeitungsbedingungen erfordert Erfahrung und Forschungsarbeit, aber auch eine Menge Experimente: Ein einzelner Doktorand arbeitet schon mal drei Jahre lang an der Optimierung der Ausbeute einer einzigen Komponente aus einem pyrolysierten Ausgangsmaterial!“
Pyrolyse – Verfahren und Erzeugnisse
Bevor man tiefer in die Thematik eintaucht, muss man zunächst verstehen, worum es sich bei der Pyrolyse handelt. Bei der Pyrolyse, auch bekannt als „Wärmebehandlung“, wird die Temperatur eines Materials in einem Reaktor unter Ausschluss von Sauerstoff auf 400–600 °C erhöht. Das Material muss verhältnismäßig trocken sein, in der Regel mit einem Wasseranteil von weniger als 20 %, um die Energieeffizienz nicht zu beeinträchtigen und keine Phasentrennung der Pyrolyseflüssigkeiten zu verursachen.
„Dies kommt dem traditionellen Verfahren zur Herstellung von Holzkohle sehr nahe“, so Dr. Nowakowski. „Allerdings mit einer viel besseren Kontrolle über die Bedingungen.“ Er fügt hinzu, dass außerdem nichts verschwendet wird: „Anders als bei der herkömmlichen Holzkohleherstellung sind wir nicht nur an den festen Stoffen interessiert, die zurückbleiben. Wir fangen auch alle Dämpfe und Gase auf, die entstehen, um sie ebenfalls zu verwerten“, erklärt er.
Bei der Pyrolyse werden die Bindungen in Lignin, Zellulose, Hemizellulose und anderen Verbindungen, aus denen typische Bioabfälle bestehen, weitgehend umstrukturiert und abgebaut.
Aus dem Pyrolyseprozess entstehen drei Kategorien von Materialien:
- Pflanzenkohle ist eine hochgradig poröse Form von Kohlenstoff und liegt in der Regel als schwarzes Pulver vor. Sie ist in erster Linie als Bodenaufbereitungsmittel von Interesse, das Kohlenstoff über einen längeren Zeitraum im Boden speichern kann, ein Prozess, der als Kohlenstoffabscheidung und -bindung (Carbon Sequestration and Storage, CCS) bekannt ist. Für Pflanzenkohle gelten zahlreiche Normen. Darüber hinaus wurden je nach Kohlenstoffgehalt, Partikelgröße und Anteil an Pflanzennährstoffen wie Kalium und Stickstoff verschiedene Klassen von Pflanzenkohle festgelegt. Pflanzenkohle lässt sich außerdem zu Katalysatorträgern, Füllstoffen für Polymere und Absorptionsmitteln für Schwermetalle weiterverarbeiten.
- Bioflüssigkeiten enthalten eine komplexe Mischung aus Karbonsäuren, Phenolen, Estern, Ketonen, Anhydriden, Ethern und sauerstoffhaltigen Heterozyklen. Bei der Pyrolyse werden sie verdampft, kondensieren dann aber zu Flüssigkeiten. Die mit Wasser mischbaren Fraktionen werden aufgrund ihres Säuregehalts auch als „Holzessig“ bezeichnet, der als Fungizid und Pflanzenwuchsmittel gefragt ist. Die mit Wasser nicht mischbaren Fraktionen sind reich an aromatischen Verbindungen. Diese können entweder voneinander getrennt und als chemische „Bausteine“ verwendet oder katalytisch aufbereitet werden, um die Sauerstoffatome abzutrennen und Kohlenwasserstoffbrennstoffe zu gewinnen.
- Pyrolysegas enthält Methan, Ethan und andere Kohlenwasserstoffe bis zu C5, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Spuren von Kohlendioxid. Gasförmige Kohlenwasserstoffe können als Brennstoff für den Pyrolysereaktor verwendet werden, während aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid („Synthesegas“) durch weitere Syntheseprozesse Ammoniak oder Methanol hergestellt werden. Wasserstoff spielt auch als umweltfreundlicher Kraftstoff im Straßenverkehr eine Rolle, insbesondere für schwere Nutzfahrzeuge (bei denen eine Elektrifizierung derzeit nicht möglich ist).
Anpassung des Pyrolyseverfahrens
Die produzierten Mengen an Pflanzenkohle, Bioflüssigkeiten und Biogasen variieren stark, je nach Gehalt an flüchtigen Bestandteilen des Ausgangsmaterials und den Verarbeitungsbedingungen, erklärt Dr. Sarah Asplin, eine wissenschaftliche Mitarbeiterin am EBRI, die auf ihr Wissen und ihre Fähigkeiten aus ihrer Promotion auf dem Gebiet der Pyrolyse von Biomasse zurückgreift. Sie erläutert, dass durch die langsame Pyrolyse von Biomasse bei relativ niedriger Temperatur in einem Chargenreaktor bis zu 50 % Pflanzenkohle und jeweils 25 % Bioflüssigkeit und Biogas gewonnen werden können. Im Gegensatz dazu könnten durch eine schnelle Hochtemperaturpyrolyse von hochwertigen Holzspänen in einem Wirbelschichtreaktor bis zu 75 % Bioflüssigkeit produziert werden, während der Rest größtenteils aus Gasen und sehr wenig Pflanzenkohle besteht.
Gemeinsam mit der Qualität der Ausgangsmaterialien fließen all diese Faktoren in die Entscheidung ein, was mit einem bestimmten Material zu tun ist, so Dr. Asplin: „Beispielsweise eignen sich reine Ausgangsmaterialien, insbesondere ligninreiche Stoffe, in der Regel am besten für die Herstellung von Pflanzenkohle, da die Verunreinigungen in den Endprodukten gering sind, wohingegen minderwertige Ausgangsmaterialien besser für die Herstellung von Bioflüssigkeit oder Biogas geeignet sind, da die Aufbereitung durch Flüssig-Flüssig-Extraktion, Destillation oder anschließende Weiterverarbeitung ein notwendiger Bestandteil der Produktion ist.“
Eine relativ neue Entwicklung in der Verarbeitungstechnologie sei die sogenannte „Zwischenpyrolyse“, bei der das Ausgangsmaterial auf einem beweglichen Bett platziert wird, fügt sie hinzu. „Dies ermöglicht ein hohes Maß an Kontrolle über die Verfahrenstemperaturen und -zeiten und damit eine Feinabstimmung der Bedingungen zur Optimierung der gewünschten Erzeugnisse.“
Schnelle Erstanalyse – Kombination der richtigen Methoden
Um das Potenzial von Biomasse und anderen organischen Abfällen richtig beurteilen zu können, sei eine gründliche Analyse ihrer chemischen Zusammensetzung erforderlich, so Dr. Nowakowski: „Mit der Anwendung nur einer einzigen Analysemethode ist es nicht getan!“ Seine Kenntnisse gehen in dieser Hinsicht sogar über seine Forschung hinaus, da er auch die Hauptverantwortung für die zahlreichen Analysegeräte am EBRI trägt.
Einer der ersten Schritte bei der Erforschung des Potenzials eines neuen Materials, erklärt er, sei die Durchführung einer Analyse zur thermischen Zersetzung. Dabei wird eine kleine Menge (etwa 10 mg) in einem thermogravimetrischen Analysegerät auf etwa 750 °C erhitzt und beobachtet, wie sich die Masse bei steigender Temperatur verändert. So erhalten die Forscher einen ersten Eindruck vom Gehalt an flüchtigen Bestandteilen und festen Rückständen. Gleichzeitig können die freigesetzten Gase auch direkt an einen Detektor weitergeleitet werden, und zwar mit einer Technik, die als Emissionsgasanalyse bekannt ist, um wiederum einen ersten Eindruck davon zu erhalten, welche Bestandteile die Probe enthält.
Weitere Informationen über die Erzeugnisse aus der thermischen Zersetzung werden dann mittels Mikropyrolyse-GC-MS gewonnen. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um eine Miniaturausführung der vollwertigen Pyrolyseausrüstung mit einem GCMS am Auslass, der für die Analyse der Dampfphasenerzeugnisse konfiguriert ist. Das Forschungsteam am EBRI verfügt über zwei solcher „Pyrosonden“-Systeme. Das meistgenutzte davon ist ein Multi-Shot-Micropyrolyzer von Frontier Laboratories in Verbindung mit einem GC-MS.
Der Vorteil dieses Systems liegt laut Dr. Nowakowski in seiner Schnelligkeit. „In nur einer Stunde können wir die Vorbereitung und Analyse einer Testprobe abschließen und eine Vorstellung von den Dämpfen erhalten, die aus dem Ausgangsmaterial gewonnen werden können“, erklärt er. Unter Verwendung eines internen Standards können die Mengen bestimmter Produkte quantifiziert und eine vorläufige Bewertung der Ausbeute an Erzeugnissen vorgenommen werden, fügt er hinzu.
Die nächsten Schritte hängen vom Ergebnis dieser ersten Erprobung ab, so Dr. Nowakowski, wobei häufig eine Elementaranalyse oder eine TOC-Analyse durchgeführt wird, um den in der Probe vorhandenen „gesamten organischen Kohlenstoff“ zu ermitteln. Eine an dieser Stelle ebenfalls nützliche Methode ist die Kalorimetrie zur Bestimmung des Heizwerts. „Beide Techniken können bei der Beratung von Kunden nützlich sein, die sich fragen, ob es sich lohnt, ihre Bioabfälle einfach zu verbrennen, um deren Energiegehalt freizusetzen“, erklärt er.
Detaillierte Analyse der Zusammensetzung der Erzeugnisse
Für eine genauere Analyse greift das Team auf eine Reihe von Chromatographieverfahren zurück, um jede mögliche Kombination aus Ausgangsmaterial, Mischkomplexität und Analytenchemie abzudecken.
- GC-MS/FID: Durch die Aufteilung des Säulenausflusses und dessen Weiterleitung in zwei Richtungen lassen sich die Fähigkeiten der MS zur Identifizierung von Verbindungen mit der quantitativen Leistung der FID kombinieren. Am EBRI gibt es zwei solcher Systeme – eines mit einem Autosampler für eine Flüssigkeit zur Analyse von Bioabfällen und das andere mit einer „Pyroprobe“ mit Headspace-Konfiguration.
- Die GC-FID (Gaschromatographie-Flammenionisationsdetektion) ermöglicht eine einfachere und genauere Quantifizierung als die GC-MS und wird für schnelle Analysen in jeder Phase der Aufbereitung von Bioabfällen eingesetzt. Am EBRI gibt es insgesamt sechs Systeme, die mit verschiedenen chromatographischen Säulen ausgestattet sind, sowie zwei Systeme, mit denen auch eine TCD (Wärmeleitfähigkeitsdetektion) möglich ist. Diese wird anstelle einer FID durchgeführt, wenn die Analyten keine Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung enthalten. Damit eignet sie sich zur Analyse von Permanentgasen wie Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Sauerstoff und Stickstoff. Eines dieser GC-FID/TCD-Systeme besitzt einen Hochtemperatur-Injektionsanschluss für die Analyse der schwersten Kohlenwasserstoffe.
- Die GC-BID ist eine weitere am EBRI angewandte Methode, die auf die Gasanalyse ausgerichtet ist. Dabei kommt der BID (Barriere-Ionisationsdetektor) zum Einsatz, der für Permanentgase wesentlich niedrigere Nachweisgrenzen als der TCD bietet.
- Die HPLC (Hochleistungsflüssigkeitschromatographie) gilt als Standardverfahren für die Auftrennung von Gramm-Mengen komplexer Flüssigkeitsgemische. Am EBRI gibt es ein System, das für die Analyse wässriger Phasen aus dem Pyrolyseprozess, insbesondere organischer Säuren, verwendet wird.
Wie aus der vorstehenden Auflistung ersichtlich ist, spielen Shimadzu Systeme in den Labors am EBRI eine große Rolle, mit insgesamt mehr als 12 Geräten. „Da die Ausrüstung vom selben Hersteller stammt, können wir die gleiche Software und die gleichen Analyseverfahren verwenden, was sowohl hinsichtlich der Produktivität als auch der Schulung unserer Mitarbeiter von Vorteil ist“, sagt Dr. Nowakowski.
Laut Dr. Nowakowski werden diese Ausrüstung und das Fachwissen auch an akademische Einrichtungen, F&E-Zentren und Industriepartner im In- und Ausland weitergegeben, wie etwa an den Biochar CleanTech Accelerator. „Auf diese Weise können wir wissenschaftliche Erkenntnisse austauschen, Teams für größere Forschungsvorhaben zusammenstellen und uns vor allem auf die angewandte Forschung konzentrieren“, erklärt er. „Mithilfe solcher ‚Proof-of-Concept‘-Studien können wir große Schritte in Richtung Produktzertifizierung und Kommerzialisierung machen.“
Er fügt hinzu, dass die eindrucksvolle Auswahl an Analysegeräten am EBRI auch jungen Forschern zur Verfügung steht. „Wir haben Verbindungen zu vielen akademischen Einrichtungen in Großbritannien und Europa, die sich alle um die Nutzung unserer Geräte bewerben können“, sagt er. „Wir können mehrere Master- und Ph.D.-Studenten gleichzeitig bei uns aufnehmen, die von einigen Wochen bis zu mehreren Monaten bei uns bleiben und von unseren Instrumenten profitieren.“
Pflanzenkohle zur Aufbereitung von Böden und als Polymerzusatz
An welchen Projekten wirkt Dr. Nowakowski derzeit mit?
Ein Projekt mit eindeutigen praktischen Auswirkungen ist eine Zusammenarbeit mit dem Stadtrat von Birmingham. Dabei geht es um die Herstellung eines Mittels zur Bodenaufbereitung auf Basis von Pflanzenkohle aus der großen Menge an Baum- und Strauchschnitt, die die Stadtverwaltung aus den von ihr unterhaltenen Parks und Gärten gewinnt. Im Rahmen des Projekts „Urban Biochar and Sustainable Materials Demonstrator“ (Vorzeigeprojekt für städtische Pflanzenkohle und nachhaltige Materialien) wird das Schnittgut zur städtischen Baumschule Cofton Nursery in Longbridge (Birmingham, Großbritannien) gebracht und zunächst gesiebt, um Blätter und anderes kompostierbares Material zu entfernen. Größeres, holziges Material wird zerkleinert und vor Ort in einer in einem Frachtcontainer installierten Anlage pyrolysiert, wodurch Pflanzenkohle entsteht. Diese wird in verschiedenen regionalen Projekten eingesetzt, um die Bodenstruktur zu verbessern und das Pflanzenwachstum zu fördern. Gleichzeitig wird der Kohlenstoff in einer Form gebunden, die nicht leicht biologisch abbaubar ist und somit als Kohlenstoffspeicher fungiert.
Dr. Nowakowski erklärt, dass das EBRI maßgeblich an der Optimierung dieses Aufbaus beteiligt war: „Zu Beginn des Projekts im Jahr 2019 prüften wir das Potenzial für den Einsatz von Pflanzenkohle in zahlreichen Anwendungsbereichen. Wir führten umfangreiche Untersuchungen durch, um die optimalen Prozessparameter für die Herstellung größerer Mengen an Pflanzenkohle zu ermitteln“, sagt er.
Ein weiterer Einsatzbereich von Pflanzenkohle, den das Team von Dr. Nowakowski erforscht, ist die Verwendung als Füllstoff in kunststoffbasierten Verbundwerkstoffen, die (zum Beispiel) beim 3D-Druck verwendet werden. Das ist deshalb wichtig, weil Pflanzenkohle, wie er erklärt, nicht immer zu 100 % aus Kohlenstoff besteht: „Je nach Ausgangsmaterial und Verfahrensbedingungen können sich in der Pflanzenkohle kalte Stellen bilden, an denen kleine Mengen schwerflüchtiger Verbindungen wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, die giftig sind, eingeschlossen werden können. Im Normalfall würden diese in der Pflanzenkohle gebunden bleiben. Beim Einsatz als Füllstoff in Kunststoffen, die dann bei der Verarbeitung erhitzt werden, könnten diese Chemikalien jedoch freigesetzt werden und ein Sicherheitsrisiko darstellen.“
Zur Untersuchung dieses Effekts verwenden die Forscher eine „Pyroprobe“, um die thermische Stabilität kleiner Proben von mit Pflanzenkohle modifizierten Kunststoffpellets zu beurteilen und sicherzugehen, dass das Produkt zu diesem Zweck gefahrlos eingesetzt werden kann.
Ein charakteristisches Beispiel für die Ergebnisse der GC-MS-Analyse einer Pflanzenkohleprobe zur Beurteilung ihrer Reinheit. In diesem Fall wären die hervorgehobenen Verbindungen aufgrund ihrer bekannten Toxizität im Enderzeugnis unerwünscht. Am EBRI wird daran geforscht, welche Pyrolysebedingungen zu diesen Verunreinigungen führen und wie sie minimiert werden können. Für die Analyse wurde ein Frontier Lab EGA/PY-3030 Multi-Shot-Pyrolyzer in Verbindung mit einem GCMS-QP2010 SE System verwendet.
Bioflüssigkeiten als Kraftstoffzusätze und Pilzbekämpfungsmittel
Auch Bioflüssigkeiten seien ein vielversprechendes Forschungsgebiet, sagt Dr. Chris Thomas, Knowledge Exchange Associate am EBRI und ebenfalls ehemaliger Doktorand unter Dr. Nowakowski. „Von besonderem Interesse ist derzeit die sogenannte ‚katalytische Veredelung‘ von Pyrolyseflüssigkeiten. Dabei wird das nicht mit Wasser mischbare Rohpyrolyseöl unter hohem Druck und bei hoher Temperatur mit Wasserstoff und einem Katalysator behandelt. Dabei wird den sauerstoffhaltigen Verbindungen der Sauerstoff entzogen, wodurch eine aufgewertete Pyrolyseflüssigkeit entsteht, die dann destilliert und mit herkömmlichen Bioraffinerieströmen zur Herstellung von Biokraftstoffen kombiniert werden kann.“
Wie Dr. Thomas erklärt, ist bei dieser Anwendung die Siedepunktverteilung besonders wichtig, wobei die Destillation im kleinen Maßstab nicht gut funktioniert und die Optimierung des Verfahrens zur Veredelung durch Pyrolyse im großen Maßstab teuer und zeitaufwendig wäre. Um die Eigenschaften des Siedepunkts anhand kleinerer Experimente schnell vorhersagen zu können, verwendete er eines der GC-FID-Systeme am EBRI zur Erstellung eines Chromatogramms der Rohflüssigkeit und wandte dann das SimDist Softwaretool zur Auswertung der Ergebnisse an.
Dr. Thomas betont ausdrücklich die Vorteile dieses Ansatzes: „Wir können diese Methode der ‚simulierten Destillation‘ direkt anhand der oft sehr komplexen Chromatogramme anwenden, um herauszufinden, bei welcher Temperatur die verschiedenen Komponenten in einer Mischung verdampfen. Die dabei entstehende Destillationskurve zeigt uns den Anteil jeder Komponente, der bei verschiedenen Temperaturen verdampft, was für die Qualitätskontrolle von Biokraftstoffen und anderen aus Bioflüssigkeiten gewonnenen Chemikalien entscheidend ist.“
Ein weiteres Anwendungsgebiet für Bioflüssigkeiten, das Dr. Nowakowski und Kollegen erforschen, ist der sogenannte „Holzessig“. Dabei handelt es sich um eine helle Flüssigkeit, in der vor allem Karbonsäuren enthalten sind, darunter Essigsäure, Ameisensäure und Propionsäure, aber auch einige Phenole und viele andere organische Verbindungen, über die nur wenig bekannt ist.
Dr. Nowakowski erklärt: „Diese Flüssigkeiten gelten als hervorragende ‚natürliche‘ Antimykotika und antibakterielle Mittel, allerdings gibt es kaum Informationen darüber, was sie genau enthalten, geschweige denn Studien über ihre Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesundheit. Wir am EBRI konzentrieren uns daher in den nächsten Jahren darauf, diese Flüssigkeiten mithilfe unserer HPLC- und GC-MS-Geräte genauer zu erforschen.“
Diese Forschungsarbeit sei äußerst wichtig, fügt er hinzu. „Holzessig hat durchaus Potenzial für die Behandlung von Schimmel und Bakterienbefall, doch es gibt ein großes Problem bei der Prozess- und Qualitätskontrolle. Wenn beispielsweise die Pyrolysetemperaturen zu hoch sind, kann das Erzeugnis giftige Aromaten, Dioxine und chlorhaltige Chemikalien enthalten. Bei der Anwendung von Holzessig auf Nutzpflanzen gelangt dieser dann in die Umwelt, was natürlich nicht wünschenswert ist.“
Vielfältige Ausgangsmaterialien, unterschiedliche Verfahren
Dies sei nur ein kleiner Vorgeschmack auf die aktuellen Forschungsarbeiten am EBRI, sagt Dr. Nowakowski. Im Rahmen anderer Projekte werden auch andere Arten von Abfällen untersucht, darunter Hühnerkot, kommunale Feststoffabfälle, altes Speiseöl, verbrauchte Gerstenkörner aus der Bierherstellung, Fahrradreifen, Verschnitt von Thermoabdeckungen aus Aluminium und Kunststoff sowie Kork. Außerdem gibt es eine Studie zur Kohlenstoffbindung mithilfe von gezüchtetem Seegras.
Dabei geht es nicht nur um die Pyrolyse. Wenn ein Ausgangsmaterial viel Wasser enthält, dessen Abtrennung zu energieaufwendig wäre, beispielsweise bei Algen, kann das Verfahren der sogenannten hydrothermalen Verflüssigung eingesetzt werden. Dabei wird eine flüssige Aufschlämmung katalytisch behandelt. Das Ergebnis ist ein „Biocrude“, das dem aus der Pyrolyse des festen Materials gewonnenen ähnelt.
Auch biologische Prozesse wie die anaerobe Gärung und Fermentation werden am EBRI erforscht, sagt Dr. Nowakowski. „Wenn ein Ausgangsmaterial einen sehr niedrigen Heizwert hat, aber einige hochwertige Zucker enthält, dann können wir Mikroorganismen einsetzen, um das Material in Methan oder Ethanol umzuwandeln, das dann als Kraftstoff verwendet werden kann. Der Vorteil dieses Ansatzes ist, dass das Enderzeugnis in der Regel recht raffiniert ist, was die Analyse wesentlich vereinfacht.“
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das EBRI offenbar für jede Herausforderung eine Lösung hat: „Unabhängig von der Art des Ausgangsmaterials können wir das Verfahren so auswählen und anpassen, dass wir einen größtmöglichen Nutzen erzielen“, sagt er.
Ausweitung der Erforschung von Bioabfällen – mit Unterstützung von Shimadzu
Während seiner gesamten Tätigkeit als Forscher und Laborleiter am EBRI sei Shimadzu stets für ihn da gewesen, erklärt Dr. Nowakowski. „Schon seit 2013, als wir die neuen Labore für die Bioenergieforschung hier am EBRI einrichteten, kann ich auf das Fachwissen des Unternehmens in der analytischen Chemie zurückgreifen“, erklärt er.
„Das Team war immer bereit, unsere Bedürfnisse zu erörtern, und in vielen Fällen hat es wesentlich zu unserem Entscheidungsprozess beigetragen. Bei einem Projekt mussten wir zum Beispiel Permanentgase aus unserer Anlage zur hydrothermalen Verflüssigung analysieren. Das Team half uns dabei, ein GC-BID-System einzurichten, das unsere Forschungsergebnisse im Vergleich zu dem ursprünglich vorgesehenen GC-FID-System erheblich verbesserte.“
Diese Zusammenarbeit dauert bis heute an, mit Ratschlägen zur optimalen Nutzung der Geräte sowie mit routinemäßiger Wartung und zeitnahem Support. „Da unsere Geräte oft reserviert werden, ist Geschäftskontinuität für uns besonders wichtig. Daher ist es großartig, dass wir von Shimadzu immer eine schnelle Antwort erhalten!“, sagt er.
Und natürlich lässt das Arbeitstempo am EBRI nicht nach. Dr. Nowakowski zufolge werden die Aktivitäten weiter ausgebaut: „Wir konzentrieren uns zunehmend auf die angewandte Forschung und neuartige Verarbeitungsmethoden, einschließlich biologischer Prozesse für die Herstellung hochwertiger Chemikalien. Auch im Bereich der Materialwissenschaften werden wir immer stärker, wobei unser Schwerpunkt auf Kohlenstoffmaterialien aus Pflanzenkohle liegt. Außerdem hat das EBRI vor Kurzem mit der Entwicklung eines integrierten Laborzentrums begonnen, um die Produktion von kohlenstoffarmem Wasserstoff aus Biomasse zu erforschen.
Es geschieht so viel – und es ist gut zu wissen, dass Shimadzu für uns da sein wird, bereit, mir bei allem zu helfen, was wir brauchen!“, schließt er.
Werdegang des Forschers:
Dr. Daniel Nowakowski ist Dozent für Chemieingenieurwesen und Angewandte Chemie an der Aston University (Birmingham, Großbritannien) und Laborleiter am Aston Energy and Bioproducts Research Institute (EBRI). Nach einem Studium der Chemischen Technologie in Gliwice (Polen) promovierte er 2007 im Bereich der Umweltkatalyse an der University of Leeds (Großbritannien). Noch im selben Jahr kam er als promovierter Forschungsassistent an die Aston University. Seit 2012 hatte er mehrere leitende Positionen als Forschungsstipendiat inne. Seit 2007 ist er als aktiver Forscher tätig, wobei er an einer Vielzahl von Forschungsprojekten und Kooperationen im Zusammenhang mit der Verarbeitung, Analyse und Anwendung von Biomasse und Pyrolyseprodukten mitwirkte.
