Allianz Biotenside: Funktionsoptimierte Biotenside auf Basis von regional verfügbaren Rohstoffen durch optimierte biotechnologische Verfahren (Phase 2); Teilprojekt 8: Ökologische Nachhaltigkeitsbewertung der Prozesse zur Biotensideherstellung und der Nutzung der Produkte; gefördert im Rahmen der Innovationsinitiative Industrielle Biotechnologie

Abstract

Biotenside werden gemäß dem aktuellen Wissensstands oft als umweltfreundliche Alternativen zu konventionellen und fossil-basierten Tensiden betrachtet. Während die Herstellung und mögliche Anwendung von Biotensiden in der wissenschaftlichen Literatur beschrieben und diskutiert werden, sind nur wenige Ökobilanz-Studien verfügbar, die eine umfassende Bewertung ihrer ökologischen Nachhaltigkeit vornehmen. Die verfügbaren Ökobilanzen unterscheiden sich in den betrachteten Produktsystemen bzw. Produkten (Biotensiden), in Ziel und Untersuchungsrahmen, sowie der angewandten Methoden und Datenbanken. Somit ergibt sich ein Bedarf an detaillierten Prozesskettenanalysen zur Biotensidherstellung zur frühzeitigen Begleitung des Entwicklungsprozesses und für die ökologische Nachhaltigkeitsbewertung möglicher Anwendungsfälle von Biotensiden in Produktformulierungen. Dieser Bedarf an Nachhaltigkeitsanalysen zur gezielten Prozess- und Produktentwicklung wird in Teilprojekt 8 durch die Anwendung der standardisierten Methode der Ökobilanz adressiert. Die Untersuchungen verfolgen primär das Ziel, ökologische Hotspots entlang der Wertschöpfungskette zu analysieren und damit die technischen Entwicklungsarbeiten zu unterstützten, indem sie zum Systemverständnis beitragen und die Auswirkungen von Prozessen und Varianten quantifizieren. Die Definition des Ziels und Untersuchungsrahmens erfolgte entsprechend dem jeweils betrachteten Produktsystem. Für die Bewertung von Rohstoffen wie Hermetiaöl und der Herstellungen der Biotenside MEL, CL, Surfactin und enzymatisch hergestellten Glycolipiden wurde eine sogenannte cradle-to-gate Bewertung durchgeführt, sowie eine cradle-to-grave Bewertung für die drei Anwendungsprodukte, Kosmetikcreme, Flüssigwaschmittel und wassermischbares Kühlschmiermittel. Für die Erstellung von parametrisierten Ökobilanzmodellen und Szenarioanalysen wurden Primärdaten zu den Herstellungsprozessen in Kooperation mit den Partnern der Innovationsallianz Biotenside gesammelt. Die Modellierung erfolgte in der Software LCA for Experts mit den zugehörigen Managed LCA Content Datenbanken von Sphera. Für die Wirkungsabschätzung wurden Indikatoren des Indikatorsets des Environmental Footprint 3.0 und 3.1 ausgewählt und angewendet. Die analysierten Wirkungskategorien umfassen unter anderem Klimawandel, Eutrophierung, Versauerung, sowie für einige Produktsysteme auch Landnutzung und Wassernutzung. Die Ergebnisse zeigen, dass die Umweltwirkungen von Hermetiaöl stark von der Substratauswahl abhängen. Die Nutzung von agroindustriellen Nebenprodukten und Bioabfall als Futtersubstrat würde die Umweltwirkung signifikant reduzieren, während Soja-reiche Futtermixe den Wasserfußabdruck hinsichtlich Wasserknappheit erhöhen. Bei der Herstellung des Biotensids MEL wurden dimensionslose Prozesskennzahlen zum Upscaling verwendet, um eine prospektive Bewertung im Produktionsmaßstab von 10 m3 pro Batch durchzuführen, was die Aussagekraft der Ergebnisse für die Prozessentwicklung erhöht. Der Energiebedarf für die Belüftung des Bioreaktors, die Bereitstellung der Vorprodukte Pflanzenöl und Glukose sowie die Aufreinigungsprozesse der Kulturbrühe tragen maßgeblich zum Ergebnis in der Kategorie Klimawandel bei. Die Ergebnisse verdeutlichen zudem die erreichten Vorteile durch die verbesserte Prozessführung durch die Entwicklungen im Gesamtvorhaben. Das Systemverständnis für ökologische Einflussfaktoren MEL profiziert außerdem von dem neuartigen Ansatz der Nutzung von Kinetik-Modellen zur Darstellung der potenziellen Umweltwirkung über die Fermentationsdauer. Für das Biotensid CL stellt ebenfalls die Bereitstellung der Substrate, der Energiebedarf zum Reaktorbetrieb und die Aufreinigung des Kulturbrühe die relevantesten Einflussfaktoren dar. Ein Ökobilanz-Screening der Herstellung von Surfactin und enzymatisch hergestellten Glycolipiden identifizierte die Substratherstellung und die Lösemittel für die Downstream-Aufreinigung als Hotspots. Bei der Prozessbewertung wurden technische Entwicklungen in der Bewertung aufgegriffen, die zur Skalierung der Prozesse beitragen, wie die Betrachtung der MEL-Aufreinigung mit dem Microjet-Reaktor und einer detaillierten Analyse der Druckluftbereitstellung. Die Ergebnisse für die Anwendungsprodukte zeigen Möglichkeiten für die Verbesserung ökologischer Aspekte von möglichen Anwendungsprodukten für Biotensiden, und quantifizieren den Beitrag der Biotensidherstellung zu den Umweltauswirkungen des Anwendungsprodukts über den Lebenszyklus auf. Für Flüssigwaschmittel stellt beispielweise die Waschtemperatur einen wichtigen Einflussfaktor dar, da der Strombedarf der Waschmaschine einen hohen Beitrag zu den potenziellen Umweltwirkungen im Lebenszyklus des Produkts aufweist. Bei der Kosmetikcreme sind neben dem eingesetzten Biotensid vor allem die weiteren Formulierungsbestandteile von hoher Bedeutung. Beim wasserbasierten Kühlschmiermittel sind die Standzeit und die Entsorgungsart der Emulsion wichtige Einflussfaktoren für das Gesamtergebnis. Insgesamt deuten die Ergebnisse der ökologischen Nachhaltigkeitsbewertung der Biotensidherstellung darauf hin, dass durch gezielte Prozessoptimierungen und nachhaltige Substratwahl signifikante Verbesserungen hinsichtlich der ökologischen Nachhaltigkeit erzielt werden können. Durch Szenarien mit angepasster Prozessführung und hierdurch erzielbaren höheren Ausbeuten, kürzeren Fermentationszeiten sowie verbesserter Reaktorbelüftung führen zu einer deutlichen Reduktion der Wirkungskategorie Klimawandel gegenüber dem Basisszenario. Darüber hinaus liegen Optimierungspotenziale in der Aufreinigung der Kulturbrühe. Optimierte Aufreinigungsprozesse und eine erhöhte Rückgewinnung der eingesetzten Lösungsmittel können die potenziellen Umweltwirkungen weiter senken. Die frühzeitige Berücksichtigung von Umweltaspekten in der Prozessentwicklung liefert wertvolle Prozessketten- und Hotspot-Analysen und Ansatzpunkte, welche die Nachhaltigkeit der Biotensidproduktion bereits im Labor verbessern und auf die industriellen Skalierungen übertragbar sind. Die durchgeführten Analysen leisten einen Beitrag bei der Entwicklung nachhaltiger Produkte können als Vorbild für die entwicklungsbegleitende Nachhaltigkeitsbewertung in der Biotechnologie und für ähnliche biobasierte Produkte dienen.