Biobasierte Chemie Nachwachsende Rohstoffe halten Einzug in die Chemie

Redakteur: Sonja Beyer

Aberwitzige Zukunftsvision oder Innovationstreiber? Wo steht die Chemie bei biobasierten Plattformchemikalien? Welche Chancen man dem neuen „grünen Gold“ in der Chemie auch zusprechen mag: Oberstes Gebot muss immer die Wettbewerbsfähigkeit der „grünen“ Produktion sein.

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„Wir werden die etablierten Verfahren nur schrittweise ergänzen und substituieren können“, sagt Dr. Joachim Schulze, Uhde Biotechnologie, zur Entwicklung biobasierter Herstellungsverfahren für die Chemie.
„Wir werden die etablierten Verfahren nur schrittweise ergänzen und substituieren können“, sagt Dr. Joachim Schulze, Uhde Biotechnologie, zur Entwicklung biobasierter Herstellungsverfahren für die Chemie.
(Bild: Uhde)

Die etablierten Routen der erdölbasierten Chemie wurden jahrzehntelang auf Effizienz hin getrimmt und verbessert, sodass ihr komplexes Anlagen- und Verfahrenssystem die wirtschaftliche Produktion eines ganzen Chemikalienstammbaums erlaubt. Soll am Anfang chemischer Wertschöpfungsketten allerdings Biomasse statt Naphtha stehen und zu wettbewerbsfähigen Konditionen in chemische Wertstoffe münden, muss noch an vielen Schrauben gedreht werden. Denn solange noch genügend Öl vorhanden und erschwinglich ist, ist der Wechsel auf alternative Rohstoffe für die Chemie schlicht auch eine Kostenfrage. „Problematisch ist die substanzielle Volatilität der Rohstoffpreise, z.B. von Zucker oder pflanzlichen Ölen“, gibt Dr. Thomas Haas, Leiter des Science-to-Business-Center Biotechnology von Evonik, zu bedenken. Aufgrund dieser Schwankungen bei den Rohstoffpreisen übersteigen die Preise für die Tonne Kohlenstoff aus nachwachsenden Rohstoffen immer wieder ihr Pendant bei erdölbasierten Ausgangsstoffen. Im Vergleich: Bezogen auf Bioethanol kostete die Tonne Kohlenstoff im März dieses Jahres 1508 Euro, bezogen auf Propylen 1384 Euro. Eine Flexibilisierung biobasierter Prozesse in dieser Hinsicht würde laut Haas die Wettbewerbsfähigkeit deutlich verbessern.

Innovationsschübe nötig

Aber es sind nicht nur die Rohstoffkosten, die einer konkurrenzfähigen Produktion im Wege stehen. Den verfahrenstechnischen Werkzeugkasten liefert für viele Prozesse auf Basis nachwachsender Rohstoffe die weiße Biotechnologie, die jedoch bereits in der Prozessentwicklung viel Zeit und Geld benötigt: Das Engineering von Mikroorganismen, deren Stoffwechsel auf die Zielreaktionen ausgerichtet werden muss, die Suche nach Biokatalysatoren, die auch hartnäckige Substanzen knacken können – solche Aufgaben lassen sich nicht über Nacht lösen. Deshalb rechnet Haas damit, dass für die Entwicklung von Verfahren zur Herstellung von Bulkchemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen – vom Konzept bis zur Kommerzialisierung – bis zu zehn Jahre vergehen können.

Hinzu kommen prozessimmanente Grenzen, z.B. beim Downstream-Processing. „Eine Hürde ist die Reinigung der Endprodukte, um chemische Standards zu erzielen. Mikroorganismen haben einen Stoffwechsel, und die Stoffwechselprodukte finden wir alle in der Fermentationsbrühe“, erklärt Dr. Joachim Schulze, Leiter der Uhde Biotechnologie in Leipzig. Und auch Produktinhibition während der Fermentation ist ein Problem, nämlich dann, wenn die eingesetzten Organismen mit hohen Produktkonzentrationen nicht klarkommen. „Innovative Konzepte wie etwa In-Situ-Produktabtrennung oder Prozessführung bei niedrigem pH sind mögliche Lösungen, die aber noch weiter entwickelt werden müssen“, urteilt Evonik-Experte Haas.

Das Downstream-Processing kann teuer werden: Die Extraktion von Produkten aus der Fermenterbrühe ist mit bis zu 80 Prozent der Hauptkostenfaktor bei der Produktion. Weitere Schwierigkeiten treten bislang auch beim Upscaling der Prozesse aus dem Labor auf, und auch die Verquickung biobasierter Verfahren mit der klassischen Chemie muss vorangetrieben werden. Gerade in neueren Entwicklungen ist eine solche Hybridchemie zu finden, weiß Haas: „In den USA und China wird beispielsweise intensiv an Polybutylensuccinat gearbeitet. Hier werden eine biologische Fermentation und eine chemische Hydrierung kombiniert.“

Keine Diskussion à la Tank-oder-Teller

Der Einsatz essbarer Biomasse, speziell zur Produktion von Biotreibstoffen, stößt jedoch nicht überall auf Gegenliebe – deutlich spürbar bei der Einführung von E10-Kraftstoffen. Eines der Lieblingsargumente der Kritiker: Potenzielle Nahrungsmittel wandern auf diesem Weg statt auf den Teller in den Tank. Dass die rohstoffliche Nutzung differenziert zu betrachten ist, stellt Uhde-Experte Schulze klar: „Anders als bei der ,Food-versus-Fuel‘-Diskussion wird die Chemie nie soviel Rohstoffe oder Lebensmittel verbrauchen wie es der Ersatz von Treibstoff täte. Theoretisch ließe sich der weltweite Chemikalienbedarf durch nachwachsende Rohstoffe abdecken, ohne dass es zu Engpässen in der Versorgung von Menschen kommt.“

Zudem wird inzwischen verstärkt an Bioraffinerien gearbeitet, die eine solche Konkurrenzsituation ...

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