Vom Weizen bis zur Flasche Lösemittel HFIP entpuppt sich als Schlüssel für eine „Grüne Chemie“ mit Kohlehydraten

Autor / Redakteur: Dr. Ulf Prüße, Nicole Paul* / M.A. Manja Wühr

Trinken wir unser Wasser bald aus PEF-Flaschen? Möglich wäre es dank eines effizienteren Verfahrens zur Herstellung der Basischemikalie HMF aus Zucker – entwickelt am Thünen-Institut.

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Dr. Ulf Prüße und sein Team konnten die Effizienz des Synthesewegs der Basischemikalie HMF deutlich steigern.
Dr. Ulf Prüße und sein Team konnten die Effizienz des Synthesewegs der Basischemikalie HMF deutlich steigern.
(Bild: Thünen-Institut)

Das Gros der chemischen Produktion basiert auf Erdöl – noch. Denn Verbraucher, Regierung und Industrie treiben die Rohstoffwende voran. Bestes Beispiel für die „Grüne Chemie“ von morgen ist ein neues Verfahren zur Herstellung von 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) aus Kohlenhydraten – entwickelt am ­Thünen-Institut in Braunschweig. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) geförderten Vorhabens gelang es, die Effizienz des bisherigen Syntheseweges für die vielseitige Basischemikalie deutlich zu erhöhen.

Biobasiertes HMF eröffnet aufgrund der vielen Funktionalitäten eine breite Folgechemie, ist bislang aber noch nicht wirtschaftlich herstellbar. HMF-Folgeprodukte eignen sich als Monomere für Kunststoffe, als Basis für Weichmacher oder als Kraftstoffzusatz. Ein HMF-Produkt von besonderer Bedeutung ist die Furandicarbonsäure (FDCA), denn auf ihrer Basis ließe sich ein biobasiertes Produkt für einen Massenmarkt herstellen: ein Ersatz für den Polyester PET. FDCA kann die petrochemisch hergestellte Terephthalsäure im PET ersetzen. Der so entstehende neue Kunststoff Polyethylenfuranoat (PEF) könnte vollständig biobasiert sein, da das zweite für die PET-Herstellung nötige Monomer, das Ethylenglycol, bereits biobasiert auf dem Markt verfügbar ist. Es wird aus Bioethanol hergestellt.

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PEF kann auch mit besseren Materialeigenschaften punkten. So ist es bis zu zehn Mal weniger durchlässig für Sauerstoff und Kohlendioxid als PET – kohlensäurehaltige Getränke in PEF-Flaschen wären also länger haltbar. Berichtet wird auch von einer besseren mechanischen Festigkeit, dies könnte den Materialaufwand bei Verpackungen reduzieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass PEF auf den bestehenden PET-Anlagen bei niedrigerer Temperatur verarbeitet werden kann, da es einen etwas niedrigeren Schmelzpunkt als PET hat.

PEF-Flaschen aus Weizen

Als Rohstoff für die HMF-Herstellung eignet sich nach aktuellem Stand Fructose am besten, die typischerweise durch Isomerisierung aus Glucose gewonnen wird, die man wiederum aus Stärke herstellt. Alternativ ist auch Saccharose zur Fructoseherstellung nutzbar. Grundsätzlich attraktiv, aber derzeit noch zu teuer sind Verfahren zur Celluloseverzuckerung oder die direkte Verwendung von Cellulose ohne vorherige Verzuckerung. Kohlenhydrate wie Stärke und Cellulose sind die auf der Erde am häufigsten vorkommenden biobasierten Verbindungen.

Niedrige Ölpreise, wie sie in den letzten Jahren mit phasenweise deutlich unter 50 Dollar pro Barrel vorherrschten, erschweren eine rein preisliche Konkurrenz für HMF, wie generell für biobasierte Chemieprodukte. Dennoch spricht einiges für eine erfolgreiche HMF-Vermarktung – beispielsweise die verbesserten Eigenschaften des Endproduktes PEF und die Tatsache, dass der Ölpreis nicht dauerhaft niedrig bleiben wird. Nicht zuletzt dürfte aber auch das am Thünen-Institut entwickelte, deutlich effizientere Herstellungsverfahren für HMF dessen künftige Marktchancen erhöhen.

Lösungsmittel mit Potenzial

Herzstück des neuen Verfahrens ist die Chemikalie Hexafluorisopropanol (HFIP), die sich zu einem wichtigen Werkzeug der Bioökonomie entwickeln könnte. HFIP erlaubt eine 10- bis 100-fach bessere Extraktion von HMF als andere bislang beschriebene Extraktionsmittel. Mit Mineralsäuren als Katalysator erzielten die Forscher sehr hohe HMF-Ausbeuten von, je nach Reaktionsbedingungen, über 70 bis zu 90 %. Der andere Vorteil von HFIP ist dessen niedriger Siedepunkt von knapp 60 °C, der eine einfache und schonende HMF-Isolierung und Wiedergewinnung des Extraktions­mittels ermöglicht. Alternativ kann man aber auch Wasser-HFIP-Gemische als Lösemittel und saure Ionentauscher als Katalysator einsetzen. Diese Vorteile haben das Thünen-Institut zu einer internationalen Patentanmeldung bewogen.

Noch ist HFIP ein Nischenprodukt und entsprechend teuer. Es dient vor allem als Speziallöse­mittel für Polymere und Laufmittelzusatz für chromatografische analytische Anwendungen. Das Institut schätzt, dass HFIP ab einem Preis von drei bis fünf Dollar pro Kilo für die HMF-Herstellung attraktiv wird. Ausschlaggebender als der Preis ist jedoch die Frage, wie oft es sich im Prozess recyceln lässt. Im Labor gab es dabei keine Probleme, für eine sichere Bilanzierung ist jedoch ein größerer Maßstab erforderlich.

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Diesen Schritt strebt das Team um Dr. Ulf Prüße als Nächstes an. Es sucht dazu einen Industriepartner, der die HMF-Synthese mittels HFIP in den Pilot- und optional in den Demonstrationsmaßstab skaliert. Möglich wären Unternehmen der chemischen Industrie, gern auch mit Feinchemikaliensparte, Anlagenbauer oder auch kleinere Firmen. Das Thünen-Institut bringt das Know-how zum Verfahren und natürlich die Schutzrechte in die Partnerschaft ein.

Für HMF käme im ersten Schritt eine Bioraffinerie auf Getreidebasis infrage. Die Getreidestärke würde nach Isomerisierung zu Fructose zur HMF-Herstellung dienen. Der Output könnte zunächst bei einigen 1000 bis 10 000 Jahrestonnen liegen. Für ein Upscaling müsste man künftig Non-Food-Rohstoffe in Betracht ziehen.

Fazit: Mit dem Effizienzsprung für die HMF-Produktion aus Kohlenhydraten konnte das Thünen-­Institut einen wichtigen Grundstein für eine biobasierte Chemieproduktion legen. Nun gilt es das Verfahren in die Praxis zu überführen. Schließlich darf die Bioökonomie kein rein akademisches Konzept bleiben.

* Dr. Prüße ist stellv. Leiter des Thünen-Instituts für Agrartechnologie, Braunschweig und Projektleiter. N. Paul ist Referentin Öffentlichkeitsarbeit der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR), Gülzow-Prüzen.

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