Deutsches Biomasseforschungszentrum Von der Biogasanlage zur Bioraffinerie - Verfahren zur kombinierten Produktion von Fettsäuren und Biogas aus ...

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Deutsches Biomasseforschungszentrum Von der Biogasanlage zur Bioraffinerie - Verfahren zur kombinierten Produktion von Fettsäuren und Biogas aus ...
Deutsches Biomasseforschungszentrum

Von der Biogasanlage zur Bioraffinerie – Verfahren zur kombinierten
Produktion von Fettsäuren und Biogas aus regionaler Biomasse

Maria Braune, Heike Sträuber

Fachtagung Biomasse in künftigen Energiesystemen – Post EEG | 31.03.2021
Deutsches Biomasseforschungszentrum Von der Biogasanlage zur Bioraffinerie - Verfahren zur kombinierten Produktion von Fettsäuren und Biogas aus ...
Background
Motivation

                   ≈ 9,500             Amendments
                biogas plants       German Renewable
                                        Energy Act

             n-Caproic acid (C6)      Protection and
             n-Caprylic acid (C8)   securing resources

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Background

                                                                                                                   © Martin Dotzauer/DBFZ
Applications

                                                                                Feed additives

                                                                                                                                                             © Erwin Lorenzen/pixelio.de
Caproic and caprylic acid,
a wide range of applications …

                                                    © Tim Reckmann/pixelio.de
•   Lubricants
                                                                                                                                            Bio-plastics
•   Detergents and cleaners
                                 Lubricants
•   Care and cosmetic products                                                         Specialty
•                                                                                      chemicals

                                                                                                                                                                       © Rainer Sturm/pixelio.de
    Food and feed additives
•   Pharmaceutical products

                                                                                        © Oliver Mohr/pixelio.de
•   Bio-plastics
•   etc.
                                                                                                                                            Pharmaceutical
                                                                                                                                            products
                                              Detergents                                                                                                         3
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Retrofitting existing biogas plants – a vision
Typical agricultural biogas plant

           Biomass                          Biogas reactors            CHP plant   Grid feed

           Fertilizer                          Decanter
           © DBFZ: Maria Braune, Björn Schinkel; UFZ: Heike Sträuber

                                                                                               4
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Retrofitting existing biogas plants – a vision
Upgrade to a biorefinery

           Biomass                        Biogas reactors             CHP plant    Grid feed

          Fertilizer                          Decanter                Extraction   Chemical
                                                                                   industry
          © DBFZ: Maria Braune, Björn Schinkel; UFZ: Heike Sträuber

                                                                                               5
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Anaerobic Fermentation
                   ®
Continuous process CAPRAFERM

                               • Continuous production of C6 and C8 by anaerobic
                                  fermentation with a microbiome

                               • Complex substrates (crops, residual and waste biomass)
                                  without costly pre-treatment

                               • Biogas production is suppressed by certain process control

                               • Microbial chain elongation in acidogenesis (short-chain
                                  fatty acid + electron donor)
                     © UFZ

                                                                                              6
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Anaerobic Fermentation
Products

                                    Yield
Product            Chain length   in g kg-1 VS
Acetic acid            C2            168          • C6 – C8
Propionic acid         C3             7             124 ± 4 g kg-1 VS
iso-Butyric acid       C4             3
                                                  • C2 – C4
n-Butyric acid         C4             82
                                                    261 ± 7 g kg-1 VS
iso-Valeric acid       C5             4
n-Valeric acid         C5             8           • Productivity in a 15 L reactor

                                                                                     © UFZ
n-Caproic acid         C6             90            1.2 kg MCFA m-3 d-1
n-Enanthic acid        C7             8
n-Caprylic acid        C8             26

→ 12 % of the substrate VS converted into MCFA
→ 88 % of the substrate VS available for subsequent biogas production
                                                                                     7
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Product separation and purification
Challenges

Characteristics of the fermentation broth:
• cC6 ≈ 5 g L-1, cC8 ≈ 1 g L-1
• Total solids content = 7.7 %

Solid-liquid separation as requirement for effective product separation
→ Removal of solids

                                                                          © M. Braune/DBFZ
Selective product separation
→ Removal of water
→ Separation of C6/C8 from short-chain acids
→ Low product loss

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Product separation and purification
Separation cascade

   FERMENTATION BROTH             SOLIDS   LIQUID PHASE              PERMEATE            EXTRACT           CAPROIC-/ CAPRYLIC ACID

          FILTER PRESS/DECANTER                MEMBRANE FILTRATION          EXTRACTION             DISTILLATION

                                                                                                                   Fotos: Maria Braune/DBFZ
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Conclusion

• Process for combined material and energetic use of biomass in biogas plants
  for the production of C6 and C8 as well as biogas and fertilizer
• Continuous fermentation process was developed and tested in lab scale
    • various biomasses were tested
    • 12 % of maize silage VS can be converted into C6 and C8
• Downstream cascade was developed and tested in lab scale
    • filter press, ultrafiltration: complete removal of solids
    • liquid-liquid extraction: removal of water, selective separation of C6 and C8
    • purification by distillation
• Techno-economic evaluation
     • plant concept compiled
     • mass and energy balance
     • calculation of product costs
Smart Bioenergy – Innovations for a sustainable future

Contact                                     DBFZ Deutsches
                                            Biomasseforschungszentrum
Maria Braune                                gemeinnützige GmbH
maria.braune@dbfz.de
                                            Torgauer Straße 116
+49 341 2434-368                            D-04347 Leipzig
Heike Sträuber                              Tel.: +49 (0)341 2434-112
heike.straeuber@ufz.de                      E-Mail: info@dbfz.de
+49 341 2434-563                            www.dbfz.de
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