„Nachwachsende Rohstoffe für die Chemie“

Jürgen O. Metzger

Abbildung 1: Rohstoffeinsatz der chemischen Industrie in Deutschland (2006)
Eine nachhaltige Entwicklung ist das Leitbild dieses Jahrhunderts. Die Prinzipien einer nachhaltigen Entwicklung sind in der "Erklärung von Rio zu Umwelt und Entwicklung" - der "Rio-Deklaration" - eindeutig formuliert und in der Agenda 21, dem von mehr als 170 Staaten verabschiedeten Arbeitsprogramm für das 21. Jahrhundert konkretisiert (mehr...).
Auf dem "Weltgipfel für nachhaltige Entwicklung", der im September 2002 in Johannesburg stattfand, wurden die "Rio-Deklaration" und die Agenda 21 erneut diskutiert und fortgeschrieben.
Ein zentrales Thema einer nachhaltigen Entwicklung ist die Erhaltung und Bewirtschaftung der Ressourcen für die Entwicklung. Hierzu müssen die Wissenschaften und insbesondere die Chemie einen wesentlichen Beitrag leisten. In Kapitel 4 der Agenda 21 wird die Veränderung der Konsumgewohnheiten gefordert. Ein wichtiger Aspekt der Veränderung der Konsumgewohnheiten ist daher die Senkung des Energie- und Materialverbrauchs je Produkteinheit bei der Erzeugung von Gütern sowie die Förderung der umweltverträglichen und nachhaltigen Nutzung erneuerbarer natürlicher Ressourcen. Biomasse, insbesondere pflanzliche Biomasse, ist die wichtigste zur Verfügung stehende natürliche Ressource für die Gewinnung nachwachsender Rohstoffe. Darunter verstehen wir land- und forstwirtschaftlich erzeugte Produkte, die nicht als Nahrungs- und Futtermittel dienen, sondern genutzt werden als Rohstoff für

Abbildung 3: Nutzung nachwachsender Rohstoffe durch die chemische Industrie in Deutschland (2006).
Die chemische Industrie benötigt für die Produktion der organischen Chemikalien und der daraus hergestellten Produkte - das sind mengenmäßig mehr als 2/3 der Produkte der chemischen Industrie - kohlenstoffhaltige Rohstoffe. Gegenwärtig sind dies ganz überwiegend die fossilen, nicht nachhaltigen Rohstoffe Erdöl und Erdgas (Abbildung 1). Biomasse ist der einzige Lieferant für nachhaltige kohlenstoffhaltige Rohstoffe. Gegenwärtig beträgt der Anteil an erneuerbaren Rohstoffen am Gesamtrohstoffverbrauch der chemischen Industrie in Deutschland etwa 2.7 Mio. t (12 %) mit langsam steigender Tendenz.
Alle nachwachsenden Rohstoffe haben eines gemeinsam: Sie sind ein Teil des Kreislaufs der Biosphäre (Abbildung 2). Die Pflanze produziert aus Wasser und atmosphärischem Kohlendioxid durch Photosynthese Biomasse, aus der wir die nachwachsenden Rohstoffe wie Pflanzenöle und Stärke durch Extraktion in mehr oder weniger reiner Form gewinnen. Nach weiterer Aufbereitung und chemischer Verarbeitung werden die Basischemikalien wie z.B. Glycerin, Fettalkohole und Glucose erhalten. Die chemische Weiterverarbeitung ergibt die für uns nützlichen Produkte wie Tenside, Kosmetika und Waschmittel sowie weitere Industrieprodukte. Der Kreislauf schließt sich, wenn nach der Nutzung durch natürliche Zersetzung wieder Kohlendioxid und Wasser freigesetzt werden und erneut in den Kreislauf einfließen. Die Teilhabe am natürlichen Kreislauf der Biosphäre zeichnet nachwachsende Rohstoffe gegenüber fossilen Rohstoffen aus. Chemieprodukte aus nachwachsenden Rohstoffen haben damit einen Umweltvorteil gegenüber identischen Produkten, die auf petrochemischer Basis hergestellt wurden. Der größte Vorteil für die Chemie ist aber, dass das im Verlauf der Evolution gereifte Synthesepotential der Natur genutzt werden kann, wie zahlreiche Ökobilanzen eindeutig zeigen. Dieser Vorteil geht verloren, wenn die Biomasse zu Synthesegas (CO + H2) vergast wird, aus dem Basischemikalien wie Methanol durch Synthese wieder aufgebaut werden oder wenn sie durch Mikroorganismen zu Biogas (Methan) oder zu Ethanol abgebaut wird.

Abbildung 2: Kreislauf der Biomasse

In Deutschland werden in der chemischen Industrie jährlich ca. 800.000 t pflanzliche und 350.000 t tierische Öle und Fette verarbeitet. Die wichtigsten Ölpflanzen sind Ölpalme und Sojabohne gefolgt von Raps und Sonnenblume. Öle und Fette bestehen aus Triglyceriden, die durch Extraktion oder Auspressen aus den Samen gewonnen werden. Durch Hydrolyse werden daraus die freien Fettsäuren erhalten, die überwiegend cis-konfigurierte Doppelbindungen enthalten (Abbildung 4). Die oleochemische Industrie führt Reaktionen bislang ganz überwiegend an der Carboxylfunktion durch; nur etwa 10% sind Umsetzungen an der Alkylkette.

Abbildung 4: Pflanzenöle sind Triglyceride, Triester des Glycerins, wie Sojaöl (Mitte), das etwa 57% Linolsäure und 22% Ölsäure enthält. Hydrolyse gibt die freien Fettsäuren. Sonnenblume gibt überwiegend Ölsäure, (alter) Raps Erucasäure, Lein Linolensäure und Ricinus Ricinolsäure.

630.000 t Stärke und 295.000 t Zucker werden industriell verarbeitet. Die wichtigsten Stärke liefernden Pflanzen für die chemische Nutzung sind Mais gefolgt von Weizen, Tapioca und Kartoffeln. Während Zucker in Deutschland und Europa fast ausschließlich aus Zuckerrüben gewonnen wird, dominiert weltweit das Zuckerrohr. Es liefert 60% der verbrauchten Zuckermenge. Zahlreiche hochoxidierte Industrieprodukte auf der Basis von Stärke sind bereits verfügbar und werden weiterentwickelt. Ein wichtiges Beispiel sind die Alkylpolyglycoside, die als hautverträgliche umweltfreundliche Tenside aus Maisstärke und Kokosöl im 70.000t/a Maßstab produziert werden. Des Weiteren findet Stärke Anwendung bei der Herstellung von Bindemitteln, Klebern, Dichtungsmitteln, als reaktive Komponente bei der Herstellung synthetischer Polymere und als Rohstoff für biotechnologische Prozesse sowie in der Kosmetik- und Pharmaindustrie. Von besonderem Interesse ist die größtenteils aus Stärke kostengünstig gewonnene Glucose, die insbesondere biotechnologisch zu wichtigen Synthesebausteinen, Zwischenprodukten und Spezialchemikalien umgewandelt wird.
Holz ist der Rohstoff für Zellstoff und für den größten Teil der Cellulose, die in der chemischen Industrie umgesetzt wird. Holz besteht nur zu 40-50% aus Cellulose. Der Rest sind Hemicellulosen und Lignin, die gegenwärtig bei der Zellstoffproduktion lediglich zur Energiegewinnung genutzt werden. Es ist eine wahrhaft große Herausforderung für die Chemiker, nützliche chemische Umsetzungen von Hemicellulosen und Lignin zu Basischemikalien zu entwickeln.

Stärke
Zucker
Cellulose
Lignin
Fette und Öle
Abbildung 5: Wichtige nachwachsende Rohstoffe für die Chemie: Stärke aus Mais, Zucker aus Zuckerrohr, Cellulose aus Holz und Palmöl von der Ölpalme.

Nachwachsende Rohstoffe sind im Unterschied zu den fossilen Rohstoffen mehr oder weniger hochoxidiert. Es ist daher naheliegend, für Basischemikalien, die auf petrochemischem Weg durch nicht nachhaltige Oxidationen gewonnen werden wie Propylenoxid, Adipinsäure, Caprolactam, Alternativen aus nachwachsenden Rohstoffen zu entwickeln.
In Laufe dieses Jahres wird sich eine ganze Reihe von Beiträgen der Aktuellen Wochenschau mit den verschiedenen Aspekten der unterschiedlichen nachwachsenden Rohstoffe befassen, sowohl der chemischen, als auch der energetischen und der Treibstoffnutzung.

Viele Beispiele zu nachwachsenden Rohstoffen sind zu finden unter www.fnr.de


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