Cyclododekanon-Produktion BASF gewinnt Cyclododekanon erstmals mithilfe von Lachgas als Rohstoff

Lachgas ist für die Chemieindustrie ein unangenehmes Nebenprodukt verschiedener Prozesse. Schließlich muss das hochgradig klimaschädliche Gas aufwändig entsorgt werden. Ein neuer Prozess der BASF macht aus dem schwierigen Abfallprodukt nun erstmals einen wertvollen Rohstoff für die industrielle Synthese.

Anbieter zum Thema

MASCHINENFABRIK GUSTAV EIRICH GMBH & Co KG

L.B. Bohle Maschinen und Verfahren GmbH

Solvias AG

BASF SE

Fünfeinhalb Jahre von der ersten Idee bis zur Inbetriebnahme: Ende November 2009 war es dann soweit. Die BASF konnte am Standort Ludwigshafen eine komplette Anlage zur Herstellung der Zwischenprodukte Cyclopentanon (CPon) und Cyclododekanon (CDon) fertigstellen. Über 100 Millionen Euro investierte der Chemiekonzern für die neue Produktion mit einer Gesamtkapazität von 
30 000 Tonnen pro Jahr. Clou der Anlage: Dank eines neuen Synthesewegs wird erstmals Lachgas großtechnisch zur Oxidation eingesetzt. Das klimaschädliche Lachgas fällt in einem anderen Produktionsprozess (Erzeugung von Adipinsäure) an und musste bisher aufwändig entsorgt werden, weil die Emission von einem Kilogramm Lachgas denselben Umwelteffekt hat wie 310 Kilogramm Kohlendioxid. Bei der Synthese von Adipinsäure entstehen 300 Kilogramm Lachgas pro Tonne hergestellter Säure. In der Vergangenheit hat es immer wieder Versuche gegeben, Lachgas als selektives Oxidationsmittel einzusetzen. Die ersten Versuche unternahm ICI bereits 1948, die letzen Anstrengungen in diese Richtung zur direkten Oxidation von Benzol zu Phenol haben Monsanto/Solutia unternommen. Trotz all dieser Anläufe ist eine kommerzielle Nutzung von Lachgas nie gelungen – bis zur erfolgreichen „Express-Synthese“ der BASF.

Die neue Technologie ist für den Verbund der BASF maßgeschneidert. Neben Lachgas werden auch andere Rohstoffe aus der BASF als Einsatzstoffe verwendet. Damit ist das Verfahren nicht nur kostengünstig, sondern auch nachhaltig und umweltschonend. Gegenüber konventionellen Prozessen ist das zum Patent angemeldete Verfahren deutlich effizienter, da es mit nur drei statt üblicherweise fünf Synthesestufen auskommt. „Zudem fallen kaum Abwasser und Abfall an“, betont Dr. Hans-Peter Neumann, Leiter der Geschäftseinheit Säuren und Spezialitäten Europa im Unternehmensbereich Zwischenprodukte (Intermediates) der BASF.

CDon ist der Haupteinsatzstoff zur Herstellung von Lauryllactam, einem Vorprodukt für die Hochleistungskunststoffe Polyamid 12 und Polyamid 6/12. Die Jahresproduktion der beiden Polyamidtypen liegt bei rund 100000 Tonnen. Außerdem wird CPon als Baustein bei der Synthese von Pflanzenschutzmitteln, Pharma-Wirkstoffen und Riechstoffen sowie als Lösemittel in der Wafer-Fertigung eingesetzt. „Die beiden neuen Produkte CDon und CPon passen perfekt in unser Portfolio an Zwischenprodukten“, freut sich Dr. Beate Ehle, Leiterin des BASF-Unternehmensbereichs Zwischenprodukte.

Erfolgsfaktor: Verbundstandort

Der Verbund in Ludwigshafen, dessen intelligente Verknüpfung von verschiedenen Produktionen ein besonderer Vorteil des Standortes ist, liefert die notwendigen Rohstoffe, die zur Herstellung der beiden neuen Zwischenprodukte benötigt werden. Für CDon sind das Butadien, Lachgas und Wasserstoff sowie die notwendigen Katalysatoren, für CPon werden Cyclopenten und Lachgas gebraucht.

Die derzeitige industrielle Synthese von CDon startet mit der Umsetzung von Butadien zu Cyclododecatrien (CDT), das dann zu Cyclododecan hydriert wird. Der Oxidationsschritt mit Luft als Sauerstoffspender erfolgt in Anwesenheit von Borsäure und führt zum Tri-Cyclododecanol-borat (so genannte Bashkirov-Oxidation), das anschließend zum Cyclododecanol hydrolysiert wird. Abschließend wird das Cyclododecanol katalytisch zum CDon dehydriert. Dieser lange und langwierige Prozess benötigt fünf Syntheseschritte und drei unterschiedliche Katalysatoren. Problematisch an diesem Ablauf sind insbesondere die geringe Selektivität der Bashkirov-Oxidation und die Notwendigkeit, Borsäure einzusetzen und zu recyclieren, was vor allem einen großen Aufwand bei der Abwasserbehandlung bedeutet.

Im neuen Verfahren der BASF ist der Syntheseauftakt, also die Umsetzung von Butadien zu CDT, noch identisch, danach reichen aber nur zwei weitere Schritte, um zum CDon zu gelangen. Entscheidend ist die unkatalysierte Reaktion von nur einer der beiden Doppelbindungen im Cyclododecatrien mit dem Lachgas aus der Adipinsäureherstellung. Das entstehende Cyclododecadienon wird danach direkt zum CDon hydriert. Dieser neue Redaktionsweg vereint gleich eine ganze Reihe von Vorteilen:

• die Produktausbeute steigt deutlich an,

• die Komplexität des Reaktionsverlaufs sinkt ebenso wie der Bedarf an Rohstoffen und Equipment,

• Abfall und Abwasser tendieren gegen Null,

• zudem fällt das notwendige Investment niedriger aus.

Unter dem Strich hat der Einsatz eines unerwünschten Nebenproduktes als selektives Oxidationsmittel zur Entwicklung eines sicheren, effizienten und umweltverträglichen Prozess zur Herstellung von Cyclododecanon geführt.

Ausgangspunkt für die Entwicklung war eine Kundenanfrage nach CDon, ein bis dato für die BASF neues Produkt. Das Verfahren wurde dann in einem Labor der BASF entwickelt. Ziel dabei war es von Anfang an, möglichst viele BASF-eigene Rohstoffe zu nutzen – nicht zuletzt eine Frage der Kosteneffizienz und Umweltverträglichkeit. Nachdem die Synthese im Labormaßstab erfolgreich umgesetzt worden war, wurde es zur Erarbeitung der Produktionsreife in eine Miniplant übertragen. Die chemische Fabrik im Kleinformat bildete die Basis für das Scale-up, also die Übertragung des Verfahrens auf die Größenverhältnisse der späteren Produktionsanlage. „Dieses Scale-up ist ein durchaus anspruchsvoller Vorgang. Um den Sprung in der Größe vom Labor in die eigentliche Produktionsstätte zu vollziehen, könnte man sich die Mini­plant als eine Rührschüssel mit 750 Milliliter Inhalt und die nun fertige Herstellungsanlage mit einem großen Behälter für Transportbeton mit 17000 Litern Fassungsvermögen vergleichen“, so Neumann. Über den gesamten Zeitraum von fünfeinhalb Jahren waren über 300 Mitarbeiter der BASF an der Umsetzung beteiligt. Die Bauzeit für die Anlagen selbst betrug 18 Monate.

„Unser neues Verfahren ist ein wesentlicher Durchbruch für industrielle Oxidationsprozesse. Zum ersten Mal erscheint Lachgas auf der Liste der großtechnisch genutzten Oxidationsmittel zur Produktion von Chemikalien bzw. Chemiezwischenprodukten“, freut sich Ehle. Angesichts der erfolgreichen Etablierung eines ganz neuen Oxidationsweges unternimmt die BASF große Anstrengungen, das gewonnene Know-how der Lachgas-Oxidation zur Herstellung weiterer interessanter Zwischenprodukte zu nutzen. Auch das könnte den Verbund und den Standort Ludwigshafen weiter stärken.

* Der Autor arbeitet als freier Fachjournalist in Hamburg. E-Mail-Kontakt: klaus.jopp@wiwitech.de

(ID:19912000)