Life Cycle Assessment unterstützte Prozessentwicklung der Nano-Lignin Produktion

Abstract

Der Bedarf an Gütern, die den globalen Klimawandel negativ beeinflussen, ist in den letzten Dekaden aufgrund der menschlichen Abhängigkeit davon und durch das Bevölkerungswachstum stetig gestiegen. Um die negativen Auswirkungen des Klimawandels möglichst einzuschränken, ist es das Ziel Methoden zu entwickeln, um Produkte aus fossilen Rohstoffen durch Erzeugnisse aus alternativen und nachwachsenden Rohstoffen zu ersetzen. Die Bioraffinerie bietet hier eine vielversprechende Alternative um die Nachfrage sowohl für die Erzeugung von Energie, als auch von Produkten wie z.B. Plattformchemikalien oder Biopolymeren zu decken. In der vorliegenden Arbeit wird die Prozessentwicklung zur Herstellung von Nano-Lignin aus Weizenstroh nicht nur durch Simulationstools, sondern auch durch eine ganzheitliche Betrachtung des Prozesses mit Hilfe einer Ökobilanz unterstützt. Dabei werden unterschiedliche Prozessvarianten zur Herstellung einer wässrigen Nano-Lignin Suspension mittels eines Organosolv-Aufschlusses aus Weizenstroh und anschließender Fällung des Lignins mit Wasser bilanziert, um durch Abschätzung der potentiellen Umweltauswirkungen den ökologisch günstigsten Weg zu identifizieren. Zur Erstellung der Sachbilanz werden Primärdaten aus Laborversuchen mit generierten Daten aus einer begleitenden Aspen Plus Prozesssimulation für jene Prozessschritte, die nicht im Labormaßstab durchgeführt wurden verbunden. Für eine cradle-to-gate Betrachtung des Herstellungsprozesses zu erreichen, werden Hintergrunddaten der thinkstep GaBi-Datenbank eingesetzt. Der Prozess wird in der GaBi LCA-Software modelliert und die Berechnung der Wirkungskategorien durchgeführt. Um sowohl die umwelttechnische als auch prozesstechnisch günstigsten Weg zu finden, wurde der Herstellungsprozess in vielen Varianten der Fällung und Aufreinigung betrachtet. Zusätzlich wurden Variationen in den Bereitstellungen von Ethanol und thermischer Energie analysiert und aus unterschiedlichen Standpunkten die Prozessausgangsströme bewertet. Die Auswertung der gewählten Wirkungskategorien Treibhauspotential, Eutrophierung, Humantoxizität und Kennzahlen zum Wasserverbrauch zeigte in Abhängigkeit der betrachteten Prozessvarianten und Wirkungskategorien verschiedene, teils gegenläufige Trends. Der Einsatz von Bioethanol im Vergleich zu Ethanol aus fossilen Rohstoffen führt zu einer drastischen Reduktion des Treibhauspotentials und macht aus Sicht der CO2 Bilanz eine Ethanolrückgewinnung weniger ökologisch. Gleichzeitig steigt aber das Eutrophierungspotential an. Für eine nachhaltige Entwicklung müssen daher mehrere Wirkungskategorien gegeneinander abgewogen werden. Das gesamte Treibhauspotential konnte durch Erhöhung der Ethanolrückgewinnung bei fossiler Ethanolbereitstellung gesenkt werden. Bei einer zu hohen Ethanolrückgewinnung und einem damit verbundenen steigenden Energiebedarf, steigt das gesamte Treibhauspotential jedoch wieder an. Dadurch konnten innerhalb dieses Szenarios ein Minimum an potentiellen Umweltauswirkungen dargestellt werden, welches einen wichtigen Anhaltspunkt für die Prozessentwicklung darstellt.

The demands on goods that negatively impact global climate change have increased in recent last decades due to people’s dependence on these goods and due to growing world population. To limit negative aspects of climate change, methods need to be developed to substitute fossil-based products, with alternative, renewable-based products. Therefore, biorefineries could be used to reform renewable resources to products, which could cover global needs on fuels and chemicals. In the present study a life cycle assessment (LCA) about the production process of nanolignin from wheat straw is executed. An aqueous nanolignin suspension is produced by organosolv pretreatment of wheat straw followed by a precipitation of the dissolved lignin with water. Possible environmental impacts during the production process should be estimated and suggestions for further less harmful process variation should be made. During the present study, laboratory scaled data was combined with generated data from an Aspen Plus process simulation to generate a life cycle inventory analysis. This data combination was necessary, because of an absence of information out from the laboratory tests. To generate a holistic view (cradle-to-gate) of the production process, the final analysis was executed in thinkstep’s GaBi LCA Software, where potential environmental impacts were evaluated. These impacts were quantified in impact categories with impact category indicators. To create a meaningful result about the process a huge amount of process scenarios was determined. Therefore, precipitation volumes and settings in the purification process were mainly varied. Furthermore, supplies of feedstock ethanol (fossil and renewable resources) and thermal energy (natural gas and biomass) were varied as emissions to the environment in the output flows were modified too. As impact categories global warming potential, eutrophication, human toxicity and impact categories for the water demand such as Blue Water Use, Blue Water Consumption and Water Stress Index are used and show partly contrary trends. The use of bioethanol compared to fossil-based ethanol leads to a drastic reduction of the global warming potential, while the eutrophication increases. For a sustainable development of the process all impact categories must be included in the evaluation and weighed against each other. The overall global warming potential could be reduced due to an increase of the ethanol recovery rate at fossil-based scenario types. Too intense ethanol recoveries lead to increasing thermal energy demands, whereby the global warming potential increases again. Because of that, local minima of potential environmental impacts could be depicted. Such minima are reasonable clues for further sustainable process developments.