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Trend Report Februar 2013

 

Biobasierte Chemikalien bieten ungeahnte Chancen für Wirtschaft und Umwelt

Biomasse ist als Rohstoff für Chemikalien und Kunststoffe auf dem Vormarsch. Die Motive mögen unterschiedlich sein - während einige Regionen nach Möglichkeiten suchen, ihren Überfluss an Biomasse zu vermarkten, werden andere durch hohe Ölpreise und den Klimaschutz getrieben - aber das Interesse nimmt weltweit zu. In Chinas 12. Fünfjahresplan wird Biotechnologie als eine von sieben strategischen Wachstumsindustrien benannt. Neben dem starken Fokus auf biopharmazeutischen Produkten umfasst das auch Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen. Auf jeden Fall existiert ein Markt: Laut einer Umfrage, die das Chemieunternehmen Dupont im Dezember 2012 veröffentlichte, ist die Akzeptanz für biobasierte Produkte bei chinesischen Verbrauchern sogar höher als in Nordamerika. Mehr als drei Viertel der befragten Stadtbewohner gaben an, sie würden "auf jeden Fall oder wahrscheinlich biobasierte Produkte kaufen". Waschmittel mit Enzymen und kosmetische Inhaltsstoffe sind schon erhältlich. Die Produktionskapazitäten für Biokunststoffe explodieren. Doch Biomasse hat noch mehr zu bieten.

Zwei unterschiedliche Ansätze

Im Prinzip gibt es zwei verschiedene Ansätze für die Produktion biobasierter chemischer Produkte. Viele der heute erhältlichen biobasierten Massenprodukte folgen dem ersten Ansatz: Man nutzt den hohen Funktionalisierungsgrad natürlicher Moleküle mit wenigen chemischen Modifikationen für spezifische Produkte. Typisch dafür sind Biopharmazeutika, biobasierte Polymere und Produkte aus Fetten und Ölen. Der zweite Weg erfordert mehr Aufwand, aber könnte die chemische Industrie letztlich revolutionieren: Integrierte Bioraffinerien könnten analog zu petrochemischen Raffinerien Biomasse umwandeln, um eine breite Palette chemischer Grundstoffe und Treibstoffe herzustellen. Das Ziel ist es, die ganze Pflanze zu nutzen statt einzelner Teile und dabei eine weite Bandbreite möglicher Produkte zugänglich zu machen.

Bio-basierte Kunststoffe

Biokunststoffe sind einer der wachstumsstärksten Märkte für biobasierte Produkte. Die stetig nachwachsende Nachfrage nach Kunststoffen für die verschiedensten Anwendungen, steigende Ölpreise und Umweltschutzziele sorgen dafür, dass der Anteil der biobasierten Kunststoffe langsam, aber sicher zunimmt.

Der erste biobasierte Kunststoff war das thermoplastische Polymer Polyhydroxybuttersäure (PHB), das von Bakterien zur Energiespeicherung hergestellt wird. Es kam in den 1990er Jahren unter dem Namen BIOPOL auf den Markt. In den letzten Jahren allerdings hat sich der Trend durchgesetzt, nicht mehr die biologisch erzeugten Polymere direkt zu nutzen, sondern biotechnologisch oder chemisch Monomere aus nachwachsenden Rohstoffen zu gewinnen, die entweder als Basis neuartiger (funktionsanaloger) oder herkömmlicher (strukturanaloger) Polymere dienen.

Der zur Zeit populärste Vertreter der funktionsanalogen biobaiserten Kunststoffe ist Polylactid (PLA). Es wird seit 1994 industriell hergestellt und hatte 2010 eine weltweite Produktionskapazität von über 110.000 Jahrestonnen erreicht. Anlagen stehen in den USA, den Niederlanden und in China. Nach Angaben von "Research and Markets" gab es im Mai 2011 vier große Hersteller in China, und eine Reihe von neuen oder Erweiterungsprojekten war im Entstehen.

PLA hat ähnliche Eigenschaften wie konventionelle thermoplastische Massenkunststoffe und kann deshalb auch in vorhandenen Anlagen verarbeitet werden. Dank seiner Kompostierbarkeit hat der Rohstoff vor allem für kurzlebige Verpackungen wie Getränkebecher oder Nahrungsmittelschalen großes Potenzial. Da es bisher an entsprechender Infrastruktur fehlt, bleibt derzeit aber nur die Verbrennung. Ein Nachteil von PLA ist sein niedriger Schmelzpunkt, so dass es nicht für Waren geeignet ist, die Hitze ausgesetzt werden.

Der Lactid-Polyester wird durch die Kombination biotechnologischer und chemischer Schritte erzeugt. Durch Fermentation von Zucker oder Stärke entsteht Milchsäure, die durch chemische Prozesse erst zu Lactid dimerisiert wird. Anschließend wird Lactid unter Ringöffnung des Monomers polymerisiert.

Ein ganz anderer Weg wird mit der Erzeugung biobasierten Polyethlens (PE) gegangen. Polyethylen ist nicht biologisch abbaubar. Dafür existieren - zumindest in Europa - bereits etablierte Recyclingmöglichkeiten. Durch die Produktion der chemischen Plattformchemikalie Ethylen aus nachwachsenden Rohstoffen können die bestehenden Wertschöpfungsketten von der Produktion verschiedener Kunststoffe bis zum jeweiligen End-of-Life-Scenario genutzt werden.

China verfügt über eine etablierte Bioethanolindustrie. Da die Ethylenproduktion derzeit unterhalb der Nachfrage liegt, wäre die Nutzung von Bioethanol für die PE-Herstellung möglicherweise auch wirtschaftlich interessant.

Der höhere Funktionalisierungsgrad (Alkohol- bzw. Säuregruppen) biobasierter Monomere gegenüber fossilen Ausgangsstoffen kann gezielt in unterschiedlichen Kunststoffanwendungen genutzt werden. Einige Beispiele: Biologisch erzeugte Dicarbonsäuren (Bernsteinsäure) und Polyole (Rizinusöl, 1,3-Propandiol) werden in biobasierten Polyestern, letztere auch in Polyurethanen eingesetzt. Aus Milchsäure lässt sich durch Dehydrierung Acrylsäure darstellen, das Monomer der Polyacrylsäure. Weitere Polyacrylate lassen sich aus der Veresterung der Acrylsäure mit Rizinusöl oder epoxidierten Pflanzenölen erzeugen. Butadien, das als Grundbaustein von Kautschuk dienen kann, lässt sich aus Ethanol darstellen. Derivate des Rizinusöls werden in Polyamiden eingesetzt.

Biobasierte Schmierstoffe

Bioschmierstoffe sind nicht mit biobasierten Schmierstoffen gleichzusetzen. Begrifflich werden darunter alle Schmierstoffe subsummiert, die biologisch schnell abbaubar sind, unabhängig davon, ob sie aus Mineralöl, Recycling-Öl, synthetisch formuliert oder biobasiert hergestellt sind.

Biobasierte Schmierstoffe werden im Gegensatz zu petrobasierten Schmierstoffen generell aus Pflanzenölen hergestellt. Je nach Anforderung werden diese teilweise in nativer Form verwendet (natürliche Ester), teilweise erfolgt eine chemische Modifizierung (synthetische Ester). Das Anwendungsspektrum der biobasierten Schmierstoffe deckt bereits die gesamte Palette konventioneller Schmierstoffe ab und reicht damit von Hydraulikölen, Multifunktionsölen, Motoren- oder Getriebeölen, Schmierölen und Fetten bis zu Spezialölen.

Aufgrund ihrer guten Haltbarkeit, ihrer geringen Toxizität und ihrer schnellen biologischen Abbaubarkeit sind biobasierte Schmierstoffe gerade für den Einsatz in umweltsensiblen Bereichen interessant. Obwohl noch Gegenstand von Forschung und Entwicklung, gibt es bereits vielversprechende Ergebnisse, die für den Einsatz von biobasierten Schmierstoffen in Windenergieanlagen sprechen: Biobasierte Schmierstoffe besitzen von Natur aus ein höheres Schmiervermögen als vergleichbare mineralölbasierte Produkte. Sie beeinflussen den Anlagenbetrieb in vielerlei Hinsicht positiv und zeichnen sich durch eine gute Handhabbarkeit und eine bessere Filtrierbarkeit aus.

Biobasierte Lösungsmittel

Der globale Lösungsmittel-Markt wird vom Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) in einer Analyse für das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) auf rund 19,7 Mio. Tonnen pro Jahr geschätzt. Mindestens 12,5 Prozent des gesamten Lösungsmittelmarktes könnten aus pflanzlichen Rohstoffen hergestellt werden, doch bisher sind weniger als 1,5 Prozent erreicht worden. Lösungsmittel sind Flüssigkeiten, die andere Substanzen auflösen, verdünnen oder extrahieren können, ohne dass sich die chemische Zusammensetzung der Substanzen oder des Lösungsmittels selber ändern. Lösungsmittel zählen zu den Gruppen aromatische und aliphatische Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Ketone, Ester, Ether, Glykolether und halogenierte Kohlenwasserstoffe.

Die Produktion der meisten Lösungsmittel erfolgt hauptsächlich ausgehend von fossilen Rohstoffen. Aus Gründen der Nachhaltigkeit und des Umweltschutzes erwartet man, dass sich das Spektrum hin zu den biobasierten Lösungsmitteln verändern wird. Neue biobasierte Lösungsmittel sind z. B. Fettsäuremethylester, die auch als Biodiesel Verwendung finden, sowie Ester der Milchsäure mit Methanol (Methyllactat) oder Ethanol (Ethyllactat), aber auch Naturstoffe wie D-Limonen, das aus Schalen von Citrusfrüchten extrahiert wird.

Ein anderer Trend ist es, konventionelle organische Lösungsmittel durch biogene zu ersetzen. Ein Beispiel hierfür ist die Umwandlung von biobasierter Bernsteinsäure oder Furfural (als Nebenprodukt der Zellstoffindustrie) in Tetrahydrofuran (THF).

Biobasierte Tenside

Biobasierte Tenside sind eine Gruppe von oberflächenaktiven Molekülen, die entweder durch mikrobielle Fermentation oder durch enzymkatalysierte Reaktionen hergestellt werden. Tenside bestehen in der Regel aus einem hydrophoben und einem hydrophilen Teil. Im Fall von biobasierten Tensiden stammt mindestens einer dieser beiden Teile aus nachwachsenden Rohstoffen.

Der biobasierte hydrophobe Teil der Tenside wird gewöhnlich aus Kokosnussöl oder Palmkernöl hergestellt, ein biobasierter hydrophiler Teil aus Kohlenhydraten wie Sorbitol, Saccharose oder Glucose. Der Einsatz tierischer Fette ist stark rückläufig.

Der Markt für biobasierte Tenside hingegen wächst. Spezifische Anwendungen für Biotenside ergeben sich wegen ihrer biologischen Abbaubarkeit und ihrer geringen oder nicht vorhandenen Toxizität in der Farben-, Kosmetik-, Textil-, Agro-, Lebensmittel- und pharmazeutischen Industrie. Als Emulgiermittel werden sie im Bergbau und in der Erzaufbereitung, zur verbesserten Erdölgewinnung und biologischen Sanierung kontaminierter Standorte eingesetzt.

Integrierte Bioraffinerien

Inwieweit Biomasse und ihre möglichst vollständige Nutzung in Bioraffinerien traditionelle erdölbasierte Herstellungsweisen ablösen wird, analysiert die Studie 'Biomasse - Rohstoff der Zukunft für die chemische Industrie' des VDI Technologiezentrums. Sie untersucht biobasierte Herstellungsverfahren bei 26 Vorläufersubstanzen, den sogenannten Plattformchemikalien. Bei elf dieser Plattformchemikalien ist eine starke Entwicklungsdynamik zu biobasierter Produktion zu verzeichnen. So werden beispielsweise die Produktionskapazitäten für Bernsteinsäure und der ausschließlich aus Biomasse hergestellten Polymilchsäure (PLA) weltweit ausgebaut.

Weit verbreitet ist die biotechnologische Umsetzung von Biomasse mittels Biotransformation in lebenden Zellen oder der Biokatalyse mit isolierten Enzymen oder Enzymsystemen in der weißen Biotechnologie. Bei der Biotransformation kommen verschiedenste Mikroorganismen zum Einsatz, die gängigsten sind Hefe, Escherichia coli und Corynebacterium glutamicum. Als Präkursoren dienen meist verschiedene Hexosen (C6-Zucker) wie Glucose oder Fructose, die zum Beispiel durch hydrolytische Vorbehandlung aus der Biomasse herausgelöst werden. Lignocellulose erfordert allerdings eine andere Vorbehandlung, um das nicht fermentierbare Lignin vom Zucker abzuspalten. Derzeit wird die Lignocellulose-haltige Biomasse daher mechanisch und chemisch zum Beispiel mit Säuren, Phenolderivaten, heißem Dampf und auch zunehmend hydrolytisch-katalytisch mit Cellulasen vorbehandelt. Die aus der Lignocellulose freigesetzten Hemicellulosen enthalten einen hohen Anteil an Pentosen (C5-Zuckern), wie Xylose, für deren Abbau besondere Mikroorganismen benötigt werden.

Technische Herausforderungen und Lösungen bei der Biomasse-Verarbeitung

Damit biobasierte Produktionsverfahren auch im großindustriellen Maßstab kostengünstig und kompetitiv umgesetzt werden können, sind allerdings noch zahlreiche technologische Herausforderungen zu meistern.

Beispielsweise ergeben sich bereits beim Handling von Biomasse quasi aus der Natur der Dinge besondere Anforderungen: Erhebliche Tonnagen müssen nicht nur geerntet, sondern auch transportiert und verarbeitet werden. Die schiere Menge ist nicht die einzige Herausforderung an die Industrie, sondern auch die Diversität. Denn bei 'Biomasse' geht es nicht nur um trockenes Schüttgut wie Mais oder Holzschnitzel, sondern auch um viskose Fluide wie Klärschlamm oder Gülle. So unterschiedlich die Medien, so unterschiedlich auch die Anforderungen an den Transport zum Zielort.

Die Logistik ist nicht der einzige Punkt, der spezielle Lösungen erfordert. Zwischen Lieferung und Weiterverarbeitung muss die Biomasse gelagert werden. Immer wieder kommt es beispielsweise bei Holzschnitzeln zur Selbstentzündung. Schuld daran sind mikrobielle Abbauvorgänge im Holz, die durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Schüttgutes regelrecht katalysiert werden und in manchen Fällen zu Schwel- oder Glimmbränden bis hin zur offenen Flamme führen.

Chemische Oxidation ist der leistet den stärksten exothermen Beitrag dabei, aber auch physikalische Prozesse können eine Rolle spielen.

So führt z. B. die Adsorption von Wasser an verhältnismäßig trockenen Feststoffoberflächen ebenfalls zur Temperaturerhöhung, da Adsorptionswärme freigesetzt wird.

Nicht nur in trockener Form erfordert Biomasse besondere Aufmerksamkeit. So ist das Lagern von flüssigem Wirtschaftsdünger mit bau- und wasserrechtlichen Auflagen verbunden, die ein Ab- oder Überlaufen der Gülle und damit ein Eindringen in die Kanalisation oder gar Grundwasser verhindern sollen.

Nach der stofflichen Konversion liegen die Produkte in der Regel stark verdünnt vor; häufig handelt es sich um sehr komplexe Produktgemische, die neben diversen Rest- und Abfall-stoffen eine Reihe einander sehr ähnlicher Komponenten beinhalten. Typisch sind z. B. Fermentationslösungen, Zellkulturen oder Pflanzenextrakte.

Eine große Herausforderung liegt deshalb in der Aufreinigung bzw. dem Downstreaming der Produkte, um chemische Standards zu erzielen. Die Mengen an wässrigem Medium sind meist sehr groß und darüber hinaus muss das Produkt oft auch noch aus dem Organismus isoliert werden. Die Extraktion der Produkte aus Fermenterbrühen ist mit bis zu 80 % einer der Hauptkostenfaktoren bei der biotechnologischen Produktion. Weitere technologische Hürden setzt beispielsweise die Entwicklung neuer spezifischer Katalysatoren und Biokatalysatoren.

Auch Produktinhibition während der Fermentation ist ein Problem, nämlich dann, wenn die eingesetzten Organismen mit hohen Produktkonzentrationen nicht klarkommen. Innovative Konzepte wie etwa In-situ-Produktabtrennung oder Prozessführung bei niedrigen pH-Werten sind mögliche Lösungen.

Weitere Schwierigkeiten treten bislang zudem beim Upscaling der Prozesse aus dem Labor auf. Die Verquickung biobasierter Verfahren mit der klassischen Chemie muss vorangetrieben werden: Gerade in neueren Entwicklungen ist eine solche Hybridchemie zu finden. In den USA und China wird beispielsweise intensiv an Polybutylensuccinat gearbeitet. Hier werden eine biologische Fermentation und eine chemische Hydrierung kombiniert.

Fazit:

Der Wandel der Rohstoffbasis ist ein weltweites Thema. Die noch bestehenden Hürden und technischen Herausforderungen verlangen Kreativität und weitergehende Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Bei der AchemAsia 2013 haben Wissenschaftler, Technologieanbieter und Anlagenbauer die Gelegenheit, technische Möglichkeiten in der Ausstellung zu besichtigen und die neuesten Entwicklungen beim Symposium "Resources for the Substitution of Petroleum" am 13. Mai 2013 zu diskutieren.

 

(Die Trendberichte werden von internationalen Fachjournalisten zusammengestellt. Die DECHEMA ist nicht verantwortlich für unvollständige oder falsche Informationen. Der vorliegende Trendbericht basiert teilweise auf Inhalten der Trendberichte "Biobased Chemicals" und "Plants for plants", die zur ACHEMA 2012 erstmals veröffentlicht wurden.)