Franka Papendiek

• Peak oil is forcing our society to shift from fossil to renewable resources. However, such renewable resources are also scarce, and they too must be used in the most efficient and sustainable way possible. Biorefining is a concept that represents both resource efficiency and sustainability. This approach initiates a cascade use, which means food and feed production before material use, and an energy-related use at the end of the value-added chain. However, sustainability should already start in the fields, on the agricultural side, where the industrially-used biomass is produced. Therefore, the aim of my doctoral thesis is to analyse the sustainable feedstock supply for biorefineries. In contrast to most studies on biorefineries, I focus on the sustainable provision of feedstock and not on the bioengineering processing of whatever feedstock is available. Grasslands provide a high biomass potential. They are often inefficiently used, so a new utilisation concept based on the biorefining approach can increase the added value fromPeak oil is forcing our society to shift from fossil to renewable resources. However, such renewable resources are also scarce, and they too must be used in the most efficient and sustainable way possible. Biorefining is a concept that represents both resource efficiency and sustainability. This approach initiates a cascade use, which means food and feed production before material use, and an energy-related use at the end of the value-added chain. However, sustainability should already start in the fields, on the agricultural side, where the industrially-used biomass is produced. Therefore, the aim of my doctoral thesis is to analyse the sustainable feedstock supply for biorefineries. In contrast to most studies on biorefineries, I focus on the sustainable provision of feedstock and not on the bioengineering processing of whatever feedstock is available. Grasslands provide a high biomass potential. They are often inefficiently used, so a new utilisation concept based on the biorefining approach can increase the added value from grasslands. Fodder legumes from temporary and permanent grasslands were chosen for this study. Previous research shows that they are a promising feedstock for industrial uses, and their positive environmental impact is an important byproduct to promote sustainable agricultural production systems. Green Biorefineries are a class of biorefineries that use fresh green biomass, such as grasses or fodder legumes, as feedstock. After fractionation, an organic solution (press juice) forms; this is used for the production of organic acids, chemicals and extracts, as well as fertilisers. A fibre component (press cake) is also created to produce feed, biomaterials and biogas. This thesis examines a specific value chain, using alfalfa and clover/grass as feedstock and generating lactic acid and one type of cattle feed from it. The research question is if biomass production needs to be adapted for the utilisation of fodder legumes in the Green Biorefinery approach. I have attempted to give a holistic analysis of cultivation, processing and utilisation of two specific grassland crops. Field trials with alfalfa and clover/grass at different study sites were carried out to obtain information on biomass quality and quantity depending on the crop, study site and harvest time. The fresh biomass was fractionated with a screw press and the composition of press juices and cakes was analysed. Fermentation experiments took place to determine the usability of press juices for lactic acid production. The harvest time is not of high importance for the quality of press juices as a fermentation medium. For permanent grasslands, late cuts, often needed for reasons of nature conservation, are possible without a major influence on feedstock quality. The press cakes were silaged for feed-value determination. Following evidence that both intermediate products are suitable feedstocks in the Green Biorefinery approach, I developed a cost-benefit analysis, comparing different production scenarios on a farm. Two standard crop rotations for Brandenburg, producing either only market crops or market crops and fodder legumes for ruminant feed production, were compared to a system that uses the cultivated fodder legumes for the Green Biorefinery value chain instead of only feed production. Timely processing of the raw material is important to maintain quality for industrial uses, so on-site processing at the farm is assumed in Green Biorefinery scenario. As a result, more added value stays in the rural area. Two farm sizes, common for many European regions, were chosen to examine the influence of scale. The cost site of farmers has also been analysed in detail to assess which farm characteristics make production of press juices for biochemical industries viable. Results show that for large farm sizes in particular, the potential profits are high. Additionally, the wider spectrum of marketable products generates new sources of income for farmers. The holistic analysis of the supply chain provides evidence that the cultivation processes for fodder legumes do not need to be adapted for use in Green Biorefineries. In fact, the new utilisation approach even widens the cultivation and processing spectrum and can increase economic viability of fodder legume production in conventional farming.…
• Nachwachsende Rohstoffe ersetzen zunehmend fossile Energieträger. Die effiziente Verwertung dieser Ressourcen ist essentiell, um eine nachhaltige Rohstoffnutzung zu gewährleisten. Die Bioraffinerie ist ein Konzept, das darauf abzielt Ressourcen möglichst effizient und nachhaltig zu nutzen. Biomasse wird hierbei mit möglichst hoher Wertschöpfung verarbeitet und es entstehen sowohl Lebens- und Futtermittel, als auch Chemikalien und Energieträger daraus. Doch auch die Rohstoffe, die im Bioraffinerieprozess verarbeitet werden, müssen nachhaltig produziert sein. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, die nachhaltige Bereitstellung von Rohstoffen für die Bioraffinerie zu untersuchen. Als Rohstoff habe ich Futterleguminosen vom Grünland gewählt. Grünlandflächen sind in Deutschland und weiten Teilen Europas durch Umbruch oder aber Nutzungsaufgabe bedroht. Dies zeigt, dass sie nicht effizient genutzt werden. Neue Nutzungsansätze, die sich durch Bioaffinerien ergeben, könnten den Rückgang des Grünlands aufhalten. Sowohl Dauergrünland, als auchNachwachsende Rohstoffe ersetzen zunehmend fossile Energieträger. Die effiziente Verwertung dieser Ressourcen ist essentiell, um eine nachhaltige Rohstoffnutzung zu gewährleisten. Die Bioraffinerie ist ein Konzept, das darauf abzielt Ressourcen möglichst effizient und nachhaltig zu nutzen. Biomasse wird hierbei mit möglichst hoher Wertschöpfung verarbeitet und es entstehen sowohl Lebens- und Futtermittel, als auch Chemikalien und Energieträger daraus. Doch auch die Rohstoffe, die im Bioraffinerieprozess verarbeitet werden, müssen nachhaltig produziert sein. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, die nachhaltige Bereitstellung von Rohstoffen für die Bioraffinerie zu untersuchen. Als Rohstoff habe ich Futterleguminosen vom Grünland gewählt. Grünlandflächen sind in Deutschland und weiten Teilen Europas durch Umbruch oder aber Nutzungsaufgabe bedroht. Dies zeigt, dass sie nicht effizient genutzt werden. Neue Nutzungsansätze, die sich durch Bioaffinerien ergeben, könnten den Rückgang des Grünlands aufhalten. Sowohl Dauergrünland, als auch temporäres Grünland wird in dieser Arbeit untersucht. Futterleguminosen wurden gewählt, da frühere Studien sie als vielversprechenden Rohstoff für die industrielle Nutzung ausgewiesen haben und sie einen sehr positiven ökologischen Einfluss auf Agrarökosysteme haben können. Eine Form der Bioraffinerie ist die Grüne Bioraffinerie, die als Rohstoff frische grüne Biomasse, wie zum Beispiel Gräser verarbeitet. Die Biomasse wird in einen Faseranteil (Presskuchen) und eine organische Lösung (Presssaft) fraktioniert. Der Presskuchen kann zur Herstellung von Futtermitteln, Biomaterialien oder auch als Biogassubstrat verwendet werden. Der Presssaft ist vielfältig in der biochemischen Industrie einsetzbar, z.B. zur Produktion organischer Säuren, Kosmetika und Pharmazeutika. Diese Doktorarbeit untersucht eine spezifische Wertschöpfungskette der Grünen Bioraffinerie, bei der Luzerne und Kleegras als Rohstoffe verwendet werden und aus ihnen Milchsäure sowie ein Futtermittel für Wiederkäuer produziert wird. Die Forschungsfragen in diesem Zusammenhang sind, (1) ob der Anbau der Futterleguminosen der Nutzung als Rohstoff in der Bioraffinerie angepasst werden muss; (2) wie die Biomasse für eine effiziente Rohstoffausbeute verarbeitet werden muss; und (3) ob der Anbau von Futterleguminosen für die Grüne Bioraffinerie wirtschaftlich rentabel umsetzbar ist. Ich habe mit dieser Arbeit somit eine ganzheitliche Untersuchung umgesetzt, die den Anbau, die Verarbeitung und letztlich auch die Produktverwertung untersucht. Zur Beantwortung der Forschungsfragen wurden Feldversuche durchgeführt, um Informationen zu Biomassequalität und –quantität in Abhängigkeit der Kulturpflanze, des Untersuchungsstandortes sowie des Erntezeitpunktes zu erlangen. Die geerntete Biomasse wurde mit einer Schneckenpresse in Presssaft und –kuchen separiert und deren Inhaltsstoffe analysiert. In Fermentierungsexperimenten wurde die Güte der Presssäfte als Rohstoff in der Milchsäureherstellung untersucht. Die Herstellung von Milchsäure erfordert eine schnelle Verarbeitung der Biomasse, sodass diese direkt im landwirtschaftlichen Betrieb stattfinden sollte. Dies führt zu einer höheren Wertschöpfung direkt am Ort der Produktion und kann die Wirtschaft im ländlichen Raum stärken. Die Qualität des Presskuchens als Futtermittel wurde mithilfe von Silierversuchen bestimmt. Die Untersuchungen in dieser Doktorarbeit zeigten, dass der Erntezeitpunkt für die Rohstoffqualität in der industriellen Nutzung eine untergeordnete Rolle spielt. Somit werden späte Erntezeitpunkte möglich, die vor allem für extensiv genutztes Dauergrünland wichtig sind, um die Biodiversität zu erhalten. Nachdem der Nachweis erbracht war, dass sowohl der Presssaft als auch der Presskuchen wertvolle Zwischenprodukte der Grünen Bioraffinerie sind, habe ich eine Kosten-Nutzen Analyse aufgestellt. Ziel war es herauszufinden, ob Landwirte von der Bereitstellung dieser Zwischenprodukte wirtschaftlich profitieren können. Es stellte sich heraus, dass vor allem große landwirtschaftliche Betriebe einen wirtschaftlichen Nutzen daraus ziehen können. Der Anbau von Futterleguminosen könnte in diesen Betrieben eine stark positive Umweltwirkung haben, da z.B. der Einsatz von Mineraldüngern reduziert werden kann und Bodenstrukturen verbessert werden. Zusammenfassend eröffnet die Grüne Bioraffinerie neue Nutzungsansätze für Futterleguminosen und somit Grünlandstandorte und kann genutzt werden, um die Nachhaltigkeit in agrarischen Produktionssystemen zu steigern.…