Bioethanol-Kraftstoff aus Abwässern und Reststoffen von Brauereien

Nachhaltig erzeugtes Bioethanol aus Reststoffen kann einen Beitrag zur Dekarbonisierung des Verkehrssektors leisten. Im BMWK-Projekt »Bieranol« arbeitet das Fraunhofer IKTS gemeinsam mit dem Partner BFC Trading GmbH an der Erschließung von Bioethanol-Potenzialen aus Brauereien. Zwei Stoffströme standen dabei im Fokus. Zum einen fallen bei der Herstellung von alkoholfreien Biersorten Abwässer mit unterschiedlichem Ethanolgehalt an, welche häufig entsorgt werden. Zum anderen enthält Biertreber als Reststoff aus dem Brauprozess noch größere Anteile an Cellulose – ein potenzieller Ausgangsstoff für die Ethanolgewinnung.

Aufbereitungsziel für die Abwässer war die Abtrennung und Aufkonzentrierung des Ethanols bis zur Kraftstoffgüte (> 99,5 %). Dafür wurden zwei am Fraunhofer IKTS entwickelte Membranstufen eingesetzt. Die erste Stufe (Abb. 1) besteht aus speziell entwickelten planaren hydrophoben Mixed-Matrix-Membranen (MMM), welche in ein Plattenmodul der Firma Beroplan GmbH installiert wurden (Membranfläche 1 m²). Die Membranselektivität ist deutlich höher als die der Destillation. Somit können mit diesem Modul bereits aus niedrig konzentrierten Gemischen sowie bei Temperaturen von nur 40 °C energetisch effizient und in nur einem Schritt Ethanolkonzentrationen von > 50 % erreicht werden. Die Vorkonzentrierung im MMM-Modul ist Voraussetzung für die Weiterverarbeitung in der zweiten Membranstufe. Für diese Aufkonzentrierung bis auf 99,9 % Ethanol wurden tubulare hydrophile keramische Membranen in der Dampfpermeation eingesetzt. Zu diesem Zweck wurde eine Versuchsanlage zur Absolutierung des Kraftstoffs gemeinsam konzipiert und vom Industriepartner umgesetzt (Abb. 2).

Im Projekt ist es gelungen, mit zwei unterschiedlichen Membrantypen, hydrophoben MMM und hydrophilen Keramikmembranen, Ethanol aus Abwässern auf ca. 60 % aufzukonzentrieren und in einem zweiten Schritt auf 99,9 % Ethanol zu absolutieren. Die Membrantechnologie ist effizient und erlaubt Energieeinsparungen von bis zu 80 % für die Absolutierung.

Biertreber besteht zu etwa 80 % aus Wasser und 20 % aus organischer Trockensubstanz. In der Trockensubstanz sind etwa 20 % Cellulose und 35 % Hemicellulose enthalten. Im Projekt konnten bis zu 80 % der Cellulose in Bioethanol umgewandelt werden. Dazu wurde der Biertreber einem sauren und thermischen Aufschluss unterzogen, um die Cellulose für die enzymatische Umwandlung durch Cellulasen in Glucose verfügbar zu machen. Bei der abschließenden Hefefermentation wurde daraus Ethanol gebildet. Eine Steigerung der Ethanolkonzentration wäre durch die Erschließung der Hemicellulosen mittels Spezialhefen sowie durch die Minimierung des Wassereinsatzes beim Aufschluss möglich. Weitergehende Untersuchungen zeigen, dass die generierten ethanolhaltigen Prozesswässer sehr gut mittels der beschriebenen Membrantechnologie zu Kraftstoff aufbereitet werden können.