„Chemische und biotechnologische Prozesse zur Herstellung von Plattformchemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen“

Thomas Hirth, Steffen Rupp, Wolfgang Krischke, Rainer Schweppe, Ulrich Fehrenbacher und Gerd Unkelbach

Einleitung

Die chemische Produktion beruht heute überwiegend auf Erdöl und Erdgas, aus denen zunächst Grundstoffe wie Synthesegas, Ethylen, Propylen, Butene und Butadien, Benzol, Toluol und Xylole hergestellt werden. In einer Vielzahl von unterschiedlichen Folgeschritten werden daraus Folgeprodukte wie beispielsweise Polymere hergestellt, die in anderen Industriebereichen wie Automobil, Elektronik, Verpackung, Papier, Textil oder Bau eingesetzt werden und den technischen Fortschritt mitbestimmen.
Steigende Rohstoffkosten, Ressourcenbedarf, Treibhauseffekt, Bevölkerungswachstum und das Streben nach nachhaltiger Entwicklung haben dazu geführt, dass intensiv über den Einsatz alternativer Rohstoffe nachgedacht wird. In diesem Zusammenhang wurde das Interesse an den nachwachsenden Rohstoffen, d.h. land- und forstwirtschaftlich erzeugten Produkten, für die energetische und stoffliche Nutzung in Industrie und Forschung wieder neu geweckt. Nachwachsende Rohstoffe wie beispielsweise Zucker, Stärke, Cellulose oder Fette und Öle haben eine lange Tradition in stoffwandelnden Industriebereichen wie Chemie, Pharmazie und Papier. Nachwachsende Rohstoffe stellen die einzige regenerative Kohlenstoffquelle für die Erzeugung chemischer Produkte dar, im Gegensatz zur Energieerzeugung, die nicht unbedingt auf kohlenstoffhaltige Rohstoffe angewiesen ist (siehe Aktuelle Wochenschau 2008, Woche 4). Bei ihrem Einsatz in der chemischen Industrie sind wie bei der Petrochemie neben den Rohstoffen und den Zielprodukten insbesondere die Prozesse zur Umwandlung der Rohstoffe in die Produkte von Bedeutung.

Chemische und biotechnologische Prozesse zur Herstellung von Plattformchemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen

Für den Einsatz nachwachsender Rohstoffe bieten sich prinzipiell zwei Wege an, die auch bereits industriell genutzt werden:

Insbesondere der zweite Weg erscheint aus wissenschaftlicher und industrieller Sicht für die Zukunft von großer Bedeutung. Für die Herstellung von Basischemikalien, die gelegentlich in der angelsächsischen Literatur auch als Plattformchemikalien bezeichnet werden, stehen chemische, biotechnologische und thermische Verfahren (siehe Abbildung 1) zur Verfügung. Für die Zukunft wird insbesondere die geeignete Kombination von chemischen und biotechnologischen Verfahren von besonderer Bedeutung sein.

Rohstoff
biotechnologischchemischthermisch
  Temperatur  
  Wassergehalt  
Abbildung 1: Verfahren zur Herstellung von Plattformchemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen

Die Herstellung von Basis- bzw. Plattformchemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen unterscheidet sich deutlich von der Herstellung aus petrochemischen Rohstoffen wie Erdöl oder Erdgas, da nachwachsende Rohstoffe wegen ihrer hohen Funktionalisierung (viele OH-Gruppen) primär defunktionalisiert werden müssen und petrochemische Rohstoffe wegen ihrer sehr geringen Funktionalität (keine OH-Gruppen) funktionalisiert werden müssen. Abbildung 2 zeigt den Weg vom nachwachsenden Rohstoff über die Aufbereitung, die Konversion und Aufarbeitung hin zu den Synthesebausteinen im Rahmen einer integrierten Bioproduktion.

Abbildung 2: Aufbereitung und Konversion der nachwachsenden Rohstoffe

Für die Herstellung von Plattformchemikalien bieten sich insbesondere Kohlenhydrate wie Zucker, Stärke oder Cellulose an, wobei die Polysaccharide zunächst in monomere Zucker gespalten werden müssen. Aufbauend auf Glukose lassen sich über biotechnologische und chemische Verfahren Plattformchemikalien wie Ethanol, Milchsäure, Bernsteinsäure oder 5-Hydroxymethylfurfural herstellen (siehe Abbildung 3). Für die Gewinnung der C1-Bausteine Kohlenstoffmonoxid und Methanol sind thermochemische Vergasungsverfahren bzw. die anaerobe Vergärung von Biomasse zu Methan geeignet.

Glucose
EthanolMilchsäureBernsteinsäure5-(Hydroxymethyl)-FurfuralSorbit
Abbildung 3: Plattformchemikalien auf Basis von Glukose

Ethanol ist ein wichtiger C2-Synthesebaustein, der im Rahmen einer sog. integrierten Bioproduktion (Produktion von Basischemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen) Ausgangspunkt für die Herstellung von wichtigen Industriechemikalien wie Essigsäure, Ethylen oder Butadien sein könnte. Heute werden weltweit bereits mehr als 30 Millionen Tonnen Ethanol durch alkoholische Gärung aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt. Damit könnte man bei reiner stofflicher Nutzung etwa 20% der weltweit produzierten Ethylenmenge herstellen.
Milchsäure wird heute bereits in Mengen von mehr als 100.000 t/a biotechnologisch aus Kohlenhydraten gewonnen und stellt eine Basis- bzw. Plattformchemikalie für die Herstellung von Polymilchsäure, Acrylsäure und Propylenglykol dar. Der Kunststoff Polymilchsäure wird durch eine Kombination von biotechnologischen und chemischen Schritten hergestellt.
Neben den Kohlenhydraten bieten sich auch Fette und Öle als Rohstoffe für die Herstellung von Plattformchemikalien an (siehe Aktuelle Wochenschau 2008, Woche 4). Als Triglyzeride liefern sie bei der Hydrolyse Glyzerin und Fettsäuren. Glyzerin steht mittlerweile weltweit durch den starken Ausbau der Biodieselproduktion in großen Mengen zur Verfügung und wird künftig eine Plattformchemikalie sein für die Synthese verschiedener wichtiger Zwischenprodukte wie 1,3-Propandiol, Acrylsäure oder Epichlorhydrin, die gegenwärtig noch petrochemisch produziert werden. Darüber wird in einer künftigen aktuellen Wochenschau ausführlich berichtet.

Abbildung 4: Folgeprodukte der Plattformchemikalie Glyzerin

Aus Fettsäuren werden durch Reaktionen an der Carboxylgruppe beispielsweise Fettsäureester oder Fettalkohole produziert. Durch Reaktionen an der Doppelbindung können höherfunktionalisierte Verbindungen (Diole durch Epoxidierung) oder bifunktionelle Verbindungen (Dicarbonsäuren durch Metathese) gebildet werden (siehe Aktuelle Wochenschau 2008, Woche 6). Neue biotechnologische Verfahren zielen auf eine selektive Oxidation der endständigen Methylgruppe zur Hydroxyl- oder Carboxylgruppe.

Zusammenfassung

Hinsichtlich des Einsatzes von nachwachsenden Rohstoffen für die stoffliche Nutzung zur Herstellung von Plattformchemikalien ergibt sich für die derzeitige Situation folgendes Bild:

Für eine verstärkte Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen sind allerdings noch umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten von Wissenschaft und Industrie zur Entwicklung von neuen Synthesestrategien und Produktionsverfahren erforderlich, die es erlauben, Plattformchemikalien und daraus abgeleitete Produkte öko-effizient herzustellen.


  •    » Kontakt
    • Prof. Dr. Thomas Hirth
      Steffen Rupp
      Wolfgang Krischke
      Fraunhofer-Institut für Grenzflächen-
      und Bioverfahrenstechnik IGB
      Nobelstraße 12
      70569 Stuttgart
      Tel.: +49 (0)711 970-4400
      Fax: + 49 (0)711 970-4200
      E-Mail: thomas.hirth@igb.fraunhofer.de

      Rainer Schweppe
      Ulrich Fehrenbacher
      Gerd Unkelbach
      Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie
      Joseph-von-Fraunhoferstraße 7
      76327 Pfinztal
      Tel.: +49 (0)721 4640-0
      Fax: + 49 (0)721 4640-1110

  •    » Literatur
    • · Marktanalyse Nachwachsende Rohstoffe, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, 2006, http://www.fnr.de

      · R. Ulber, R. Busch, Th. Hirth, A. Liese, S. Nordhoff, J. Puls, O. Pulz, D. Sell, C. Syldatk, Nutzung nachwachsender Rohstoffe in der industriellen Stoffproduktion, Chem.-Ing.-Techn. 78, 219 (2006)

      · B. Kamm, M. Kamm, Th. Hirth, M. Schulze, Lignocellulose-based Chemical Products and Product Family Trees, in B. Kamm, P. R. Gruber, M. Kamm, Hrsg., Biorefineries, Industrial Processes and Products, Vol. 2, S. Wiley-VCH, 2006

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