„Biokatalyse - Eine nachhaltige Methode zur Herstellung kosmetischer Ester“

Oliver Thum

Mit einem Jahresumsatz von etwa 20 MiIliarden Euro gehören Rohstoffe für die kosmetische Industrie zu einer der wichtigsten Produktklassen der chemischen Industrie. Bedingt durch den körpernahen Einsatz der Endprodukte auf menschlicher Haut und Haar ergeben sich allerdings einige besondere Herausforderungen für deren erfolgreiche Herstellung und Vermarktung. Neben dem naheliegenden Kriterium des Ausschließens reizender oder sensibilisierender Wirkungen treten aber bei den Konsumenten in jüngster Zeit auch weitere Themen in den Vordergrund, die sich mit der "Natürlichkeit" und "Nachhaltigkeit" der Produkte befassen. Die Körpernähe der Anwendung ist einer der Faktoren, aufgrund deren diese - inzwischen globalen - Trends bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt deutliche Auswirkungen im Bereich der Kosmetikindustrie zeigten. Von reinen Nischenprodukten in der Naturkosmetik hat sich dieser Trend inzwischen ausgeweitet und erfasst nun auch die etablierten Hersteller mit ihren bekannten Produktlinien. Die Nachfrage nach natürlichen, nachhaltigen Produkten für die kosmetische Industrie wächst daher stetig. (siehe Aktuelle Wochenschau, Woche 26)

Faktoren der Nachhaltigkeit

Der Bedarf an solchermaßen nachhaltigen Produkten stellt den Herstellern neue Aufgaben auf verschiedenen Stufen der Wertschöpfungskette, um schlussendlich die ökoeffizienteste Lösung anbieten zu können.
Zu Beginn steht dabei sicherlich die Auswahl der verwendeten Rohstoffe. Den mengenmäßig größten Anteil an kosmetischen Rohstoffen bilden heute petrochemisch hergestellte Produkte, beispielsweise die Derivate des aus Ethylenoxid hergestellten Polyethylenglycol (PEG). Hier gilt es, Alternativen auf Basis nachwachsender Rohstoffe wie Zucker, Glycerin oder Fettsäuren zu nutzen, wobei wiederum der nachhaltige Anbau dieser Rohstoffe sicher gestellt sein muss. Ein Beispiel hierfür ist der unter der INCI-Bezeichnung [1] "Glycerol stearate citrate" bekannte Öl-in-Wasser (O/W) Emulgator, der vollständig aus nachwachsenden Rohstoffen besteht und eine leistungsstarke Alternative zu klassischen PEG-Derivaten ist.

Abbildung 1: Struktur des vollständig auf nachwachsenden Rohstoffen basierenden O/W Emulgators "Glycerol stearate citrate" (Handelsname AXOL C62 der Evonik Goldschmidt GmbH)

Neben der Nachhaltigkeit der Rohstoffquelle in Bezug auf ihre Gewinnung steht auch die Frage der Bioabbaubarkeit im Mittelpunkt des Interesses. So werden als Konditioniermittel für die Haarpflege zunehmend die klassischen, schlecht abbaubaren Alkylammonium Verbindungen, z. B. Cetyltrimethymammonium Chlorid (INCI: Cetrimonium Chloride), durch die deutlich besser abbaubaren Alkylesterverbindungen, z. B. Distearylethyldimethylammonium Chlorid (Handelsname: VARISOFT® EQ 65 der Evonik Goldschmidt GmbH), ersetzt.

Abbildung 2: Strukturformel von Cetyltrimethymammonium Chlorid (oben) und Distearylethyldimethylammonium Chlorid (unten)

Als drittes wichtiges Themenfeld bieten die Herstellungsprozesse für die kosmetischen Rohstoffe erhebliches Potential zur Verbesserung der Ökobilanz.

Die Ökoeffizienz der enzymatischen Veresterung

Fettsäuren spielen aus den o. a. Gründen eine wichtige Rolle als Bausteine für kosmetische Rohstoffe. Ihre Veresterungsprodukte mit Glycerin, Polyglycerin, oder Zuckern liefern beispielweise verschiedene kosmetische Emulgatoren, in Abhängigkeit von der Hydrophilie der polaren Kopfgruppe solche des O/W- oder des W/O-Typs. Die Ester der Fettsäuren mit eher unpolaren, langkettigen Alkoholen bilden die Gruppe der Emollientester (von lat. "emolliere" = "weichmachen"), die als Ölphase in modernen kosmetischen Formulierungen eingesetzt werden und dort klassische Öle, wie z. B. Mineralöl oder Vaseline, ersetzen.

Die üblichen Verfahren zur Herstellung solcher Ester im industriellen Maßstab nutzen konventionelle Veresterungstechniken (vgl. Abbildung 3, links). So werden die Rohstoffe (Fettsäure und Fettalkohol) üblicherweise lösungsmittelfrei mit einem Katalysator versetzt und auf dessen optimale Reaktionstemperatur erhitzt. Je nach Katalysator müssen dabei Temperaturen von 160°C (saure Katalysatoren z. B. para- Toluolsulfonsäure) bis deutlich über 200°C (Metallsalzkatalysatoren, z. B. Zinn(II)- salze) eingesetzt werden. In Abhängigkeit von der Empfindlichkeit der Rohstoffe müssen nun mehrere Aufarbeitungsschritte durchgeführt werden, um ein Produkt zu erhalten, welches den kosmetischen Qualitätsanforderungen entspricht, vor allem in Hinblick auf Geruch und Farbe.

Abbildung 3: Schematischer Vergleich der konventionellen (links) und der enzymatischen (rechts) Synthese von Fettsäureestern.

Im Gegensatz dazu liefert ein Katalysator, der die gleiche Reaktion bereits bei deutlich niedrigerer Temperatur katalysiert, die Möglichkeit all diese Aufarbeitungsschritte zu sparen. An dieser Stelle kommt nun die Biokatalyse mit all ihren Möglichkeiten ins Spiel (siehe Aktuelle Wochenschau, Woche 9). Die Verwendung einer immobilisierten Lipase bei Prozesstemperaturen von 60°C (vgl. Abbildung 3, rechts) ermöglicht einen Prozess, der ausgehend von gleichen Rohstoffen bereits ein Rohprodukt liefert, welches meist allen Qualitätsanforderungen genügt. Schafft man es nun, dieses Enzym hinreichend oft wiederzuverwenden, erreicht man den Punkt, an dem die Enzymkosten die Aufarbeitungskosten unterbieten und das Verfahren auch wirtschaftlich interessant wird. Tatsächlich werden heute bei der Evonik Goldschmidt GmbH einige solcher Emollientester zu mehreren hundert Tonnen pro Jahr enzymatisch hergestellt und vertrieben, beispielsweise Myristinsäuremyristylester (INCI: Myristyl Myristate) unter dem Handelsnamen TEGOSOFT® MM (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4: Myristinsäuremyristylester wird enzymatisch hergestellt.

Schließlich stellt sich die Frage, ob die offenkundige Einsparung an Heizenergie beim enzymatischen Verfahren tatsächlich zu einer verbesserten Ökobilanz führt. Daher wurden die beiden in Abbildung 3 verglichenen Verfahren einer sorgfältigen Ökoeffizienzanalyse (siehe Aktuelle Wochenschau, Woche 2) nach ISO14040 unterzogen und die Umweltbelastung durch die verschiedenen Herstellungsverfahren verglichen (Ergebnisse siehe Tabelle 1). Unter Betrachtung der Myristinsäuremyristylesterproduktion als Modellreaktion für die Vielzahl der kommerziell erhältlichen Esteröle konnte ganz deutlich gezeigt werden, dass das biokatalytische Verfahren dem konventionellen in dieser Hinsicht signifikant überlegen ist. Als Parameter wurden hierbei wie international üblich sowohl der Primärenergieverbrauch in MJ als auch die Emission von schädlichen Abgasen in CO2-Äquivalenten (Erderwärmung), SO2-Äquivalenten (saurer Regen), PO4- Äquivalenten (Eutrophierung) und C2H4-Äquivalenten (Smogbildung) benutzt. Der Primärenergieverbrauch wird um über 60% gesenkt, während die Emissionen um bis zu 88% verringert werden.

 konventionellenzymatischEinsparung
Energieverbrauch   MJ22.5008.63062 %
Erderwärmung   kg CO2 Äquiv.151858262 %
Versäuerung   kg SO2 Äquiv.10,581,3188 %
Eutrophierung   kg PO4 Äquiv.0,860,2474 %
Smogerzeugung   kg C2H4 Äquiv.0,490,1276 %
Tabelle 1:Tabellarische Zusammenfassung der Ökoeffizienzanalyse der Herstellung von kosmetischen Estern, Daten sind bezogen auf eine Produktionseinheit von 5 Tonnen Myristinsäuremyristylester

Zusammenfassung

Es konnte gezeigt werden, dass die enzymatische Herstellung von kosmetischen Rohstoffen, wie beispielsweise den Esterölen, auf Basis nachwachsender Rohstoffe ein Paradebeispiel für einen nachhaltigen Prozess ist, bzw. die so gewonnenen Produkte besonders nachhaltig sind. Es ist davon auszugehen, dass die Bedeutung der sorgfältigen Rohstoff- und Prozessauswahl in Zukunft zumindest in dem Maße weiter an Bedeutung gewinnen wird, wie der globale Trend nach nachhaltigen Produkten weiter anhält.


Kontakt

Dr. Oliver Thum
Head of Biotechnology Research
Evonik Goldschmidt GmbH
Goldschmidtstr. 100
45127 Essen
Tel.: +49 (0)201 173-1658
Fax: +49 (0)201 173-1839
E-Mail: oliver.thum@evonik.com

Literaturhinweise

[1] INCI (International Nomenclature of Cosmetic Ingredients, engl. für Internationale Nomenklatur für kosmetische Inhaltsstoffe) bezeichnet eine internationale Richtlinie für die korrekte Angabe der Inhaltsstoffe (Ingredients) von Kosmetika
[2] O. Thum, „Enzymatic production of care specialties based on fatty acid esters”, Tens. Surf. Det. 2004, 41, 287-290
[3] O. Thum, K. M. Oxenbøll, „Biocatalysis - A Sustainable Method for the Production of Emollient Esters”, SOFW J. 2008, 134, 44-47
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