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Biobasierte Chemie

Neues aus der Bioraffinerie: Endet der Boom bevor er begann?

| Autor/ Redakteur: Dominik Stephan* / Dominik Stephan

Schiefergas und billiges Erdöl setzen dem Konzept der Bioraffinerie zu. Solange sich die Preise für Grundchemikalien im freien Fall befinden, sind Alternativen nicht gefragt. Zeit für eine Standortbestimmung: Wir nehmen Trends, Verfahren und Produkte unter die Lupe.

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( © vencav - Fotolia)

Die „Grüne Chemie“ war auf dem besten Weg zum Shootingstar: Eine Studie des amerikanischen National Research Council ging davon aus, dass 2020 bereits 25 % und 2090 sogar 90 % aller organischen Chemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen produziert würden. Solange der Erdölpreis kletterte, war den Experten keine Vision zu kühn. Dann kam billiges Schiefergas und mit ihm ein Preisrutsch, der Massenchemikalien und Crackerprodukte zu echten Schnäppchen macht. Jetzt stehen die biobasierte Grund- und Rohstoffe unter enormen Rentabilitätszwang.

Immerhin: Nach Schätzungen stammen etwa 10–15 % der organischen Chemikalien in Deutschland aus nachwachsenden Quellen. Bis 2030 könnte sich dieser Wert verdoppeln, erklärte VCI-Vizepräsident Karl-Ludwig Kley 2014. Doch damit die Vision der Chemikalie vom Acker Realität wird, gibt es noch viel zu tun: Die „Bioraffinierie“, also die industrielle Aufspaltung von Biomolekülen wie Zucker oder Zellulose in chemische Roh- oder Brennstoffe, unterscheidet sich grundlegend von herkömmlichen Crackerprozessen.

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Im Fokus stehen Verfahren, die das gesamte Pflanzenmaterial aufschließen – inklusive der schwer zu knackenden Cellulose. Mit Bio-Rohstoffen der zweiten Generation ließe sich nicht nur die Debatte um Teller oder Tank entschärfen, auch wäre es möglich, Reststoffe wie Holzschnitzel oder Stroh zu verwenden. Zu diesem Zweck können starke Säuren oder Enzyme helfen, die langen Kohlenstoffketten in einfacher verwertbare, kurzkettige Moleküle zu zerlegen. Insbesondere Mehrfach-Zucker wie Hexosen oder Pentosen sind gefragt, da diese leicht verstoffwechselt werden können.

Viele Wege führen nach Rom - oder zur Umwandlung nachwachsender Rohstoffe...
Viele Wege führen nach Rom - oder zur Umwandlung nachwachsender Rohstoffe...
(Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe)

Dabei stellen die Mikroorganismen ihre ganz eigenen Ansprüche an die Prozessführung: Wenn die Reaktion sowohl schnell als auch ausreichend selektiv ablaufen soll, ist eine genaue Temperaturkon­trolle unerlässlich. Die Reaktoren müssen jederzeit ausreichend mit Sauerstoff versorgt werden (außer bei anaerober Fermentation), wobei eine ständige Durchmischung für homogene Sauerstoffverteilung, Temperatur und pH-Gradienten sorgen muss. Auch neigen Organismen zum Aufschwimmen oder zur Sedimentation: Die Auswahl einer geeigneten Kombination aus Reaktionsbehälter, Rühr­organ und Heizelementen entscheidet in der Bioraffinerie über Erfolg und Misserfolg.

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Kautschuk und Polymere sind in nahezu allen Industrien zu Hause, auch und gerade wo man sie nicht sieht: Als Beschichtungen, Träger- und Bindemittel werden sie in der Herstellung von Papier, Karton und Baumaterialien gebraucht. Ausgangsprodukt für die meisten synthetischen Gummis ist Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), ein Copolymer von dem Jahr für Jahr über fünf Millionen Tonnen produziert werden. Ausgangsstoff für die Produktion von SBR ist 1,3-Butadien und Styrol, zwei typische Cracker-produkte. Während etwa die Hälfte der weltweiten SBR-Produktion als Rohstoff für Autoreifen genutzt wird, kommen synthetische Kautschuke auch als ‚Binder‘ für Glanzdrucke auf Papier oder Karton zum Einsatz.

Eco Synthetix stellt eine Reihe von Biopolymeren her, die SBR-Kautschuke in einer Vielzahl von Anwendungen ersetzen können, ob als Bindemittel in der Papier und Zellstoffproduktion oder als Harze für Baumaterialien.
Eco Synthetix stellt eine Reihe von Biopolymeren her, die SBR-Kautschuke in einer Vielzahl von Anwendungen ersetzen können, ob als Bindemittel in der Papier und Zellstoffproduktion oder als Harze für Baumaterialien.
( Bild: Edelmann/Nabil Shash (Shash Photography) )

Genau hier setzt das Unternehmen Eco Synthetix an: Die Kanadier stellen eine Reihe von Biopolymeren her, die SBR-Kautschuke in einer Vielzahl von Anwendungen ersetzen können, ob als Bindemittel in der Papier und Zellstoffproduktion oder als Harze für Baumaterialien. Schon heute verkauft Ecosynthtix biobasierte Kunststoffe für 20 Millionen US-Dollar pro Jahr. Herzstück der Produktion ist ein reaktiver Extruder, in dem die kristalline Polymerstruktur der Kohlenhydrate aufgebrochen wird. Das Produkt, das ohne chemische Lösungsmittel auskommt, ist nicht nur besonders sauber sondern auch biologisch abbaubar.

Ob Cellulose, Ein- oder Mehrfachzucker oder Fette und Öle: nachwachsende Rohstoffe haben viele Gesichter – und viele Anwendungsmöglichkeiten. Alkohole, Säuren, Diole, Glycerin oder Basis- und Feinchemikalien können über mehrschrittige Reaktionswege gewonnen werden. Ein ganz besonderes Biomolekül ist der „Holzzucker“ Lignin. Diese Makromoleküle lagern sich in die Zellwand von Pflanzen ein und bewirken deren „Verholzung“. Da sie bis zu 30 % der Trockenmasse ausmachen, zählen Lignine zu den häufigsten Polymerverbindungen in der Natur.

Alleine in der Zellstoff­industrie fallen jedes Jahr etwa 50 Millionen Tonnen Lignin an. Beim Aufschluss des extrem zähen Materials soll die Pyrolyse eine wichtige Rolle spielen: Bei etwa 700 °C bis 1000 °C lässt sich Lignin in chemische Grundbausteine wie Synthesegas, Ethen oder Benzol zerlegen. Erste Pilotversuche zeigen bereits das Potenzial des Verfahrens auf.

Der große Durchbruch für die grüne Chemie könnte kommen, wenn es gelingt Massenprodukte im großtechnischen Maßstab aus nachwachsenden Rohstoffen zu fertigen - wie das in der Praxis aussehen kann, zeigt ein spannendes Beispiel aus Kanada:

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Plattformtechnologien werden zum Sprungbrett aus der Nische

Chemikalien auf Bio-Basis sind häufig vergleichsweise aufwändig herzustellen und entsprechend teuer – das macht sie als Spezialisten für Nischenprodukte attraktiv, stand aber bisher dem großen Durchbruch im Massenmarkt entgegen. Wenn es gelingen würde, Grundstoffe im Millionen-Tonnen-Maßstab nicht aus Rohöl-Produkten sondern nachwachsenden Rohstoffen zu einem konkurrenzfähigen Preis zu synthetisieren, könnte die grüne Chemie zur „Plattformtechnologie“ werden.

Als besonders vielversprechend gelten bei den Materialforschern unter anderem die Aminosäure Lysin, die als Rohstoff für Polyamide Karriere machen könnte, oder Muconsäure, eine Vorstufe wichtiger Monomere zur Polyester- und Polyamidsynthese, die sich mittels Fermentation mit E.Coli aus Glucose gewinnen lässt. Und nicht zuletzt die Bernsteinsäure, die als Grundstoff für wichtige Monomere und Chemikalien wie 1,4-Butandiol, 1,4-Butandiamin, Tetrahydrofuran, Asparaginsäure, Maleinsäure oder Succinate als Vorstufe für Polymere und Pharmaprodukte genutzt werden kann.

Die nächste Stufe: Die Bernsteinsäure-Produktion von Bioamber ist ein Vorreiter in Sachen Basischemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen.
Die nächste Stufe: Die Bernsteinsäure-Produktion von Bioamber ist ein Vorreiter in Sachen Basischemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen.
( Bild: Edelmann/Nabil Shash (Shash Photography) )

Die vielseitige Bernsteinsäure ist ein echter Alleskönner unter den biobasierten Chemikalien und könnte der grünen Chemie zum Durchbruch auf breiter Front verhelfen, wenn es gelänge die Produktionskosten in den Griff zu bekommen, glauben Experten. Tatsächlich arbeiten weltweit Chemiefirmen und Institute an der biotechnologischen Gewinnung dieses Rohstoffs. Ganz vorne mit dabei ist eine Entwicklung von Bioamber, die Bernsteinsäure mittels Fermentation aus Zucker gewinnen kann. Das Erfolgsgeheimnis des Verfahrens ist die Verwendung einer gentechnisch veränderten Hefe von Cargill, die hervorragend mit niedrigen pH-Werten auskommt – eine perfekte Wahl für die Bernsteinsäure-Produktion. Tatsächlich war bisher die „Übersäuerung“ des Produktionsorganismus durch die entstehende Säure ein wesentlicher Hemmschuh für den Prozess.

Bioamber produziert schon jetzt im kanadischen Sarnia etwa 30 000 Tonnen biobasierte Bernsteinsäure pro Jahr – und die Produktion ist auf Jahre ausgebucht. Auch in puncto Kosten gibt sich die Firma kämpferisch: „Wir können nicht nur mithalten, wir setzen das neue Preis-Benchmark“, erklärt Mike Hartman, Bioambers Executive Vice President. Tatsächlich sei die Herstellung aus Petroprodukten etwa 50 % teurer, so der Experte.

Und dennoch: Strukturelle Veränderungen beim Rohstoffeinsatz lassen weiter auf sich warten. Um nachwachsenden Rohstoffen auf breiter Front zum Durchbruch zu verhelfen, sind noch erhebliche Anstrengungen in Forschung und Verfahrensentwicklung nötig. Wenn es möglich wäre, die Rohstoffbasis der Chemie auf nachhaltige Weise breiter aufzustellen, könnte es gelingen, nicht nur preislich mit der traditionellen Petrochemie mitzuhalten, sondern auch Produkte mit ganz neuen Eigenschaften zu bekommen. Das Potenzial ist da: Chemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen könnten es schaffen, traditionelle Petrochemieprodukte im Wert von 60 Milliarden Dollar zu ersetzen, glauben Experten.

Nachwachsende Rohstoffe sind aber auch begehrte Energieträger:

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Der Treibstoff auf dem Feld: Biobasierte Kraftstoffe

Wer an nachwachsende Rohstoffe denkt, hat meistens Energieträger wie Biodiesel oder Ethanol im Kopf. Tatsächlich war die Gewinnung von Kraftstoffen und Energieträgern aus Agrarprodukten wie Holz, Pflanzenölen oder Zucker lange Zeit eine favorisierte Vision, die Abhängigkeit vom Erdöl zu reduzieren und den Ausstoß klimaschädlichen Kohlendioxids zu verringern. Zwar haben sinkende Ölpreise und die Food- versus-Fuel-Debatte Biokraftstoffen etwas von ihrem Glanz genommen, doch sind insbesondere Biokraftstoffe der zweiten und dritten Generation fester Bestandteil zukünftiger Energieversorgungs-Szenarien.

Eine besondere Rolle könnte dabei Ethanol spielen: Der Alkohol lässt sich verhältnismäßig leicht in großer Menge aus Zucker oder Kohlehydrat-haltiger Biomasse durch Fermentation und Destillation gewinnen und kann relativ unproblematisch herkömmlichem Ottokraftstoff zugemischt werden. So werden allein in der EU jedes Jahr etwa 3,7 Milliarden Liter Ethanol als Treibstoff und Benzinzusatz produziert. Doch als organisches Lösungsmittel ist der Stoff für die Chemieindustrie sowie Pharmaprodukte und Kosmetika begehrt.

Wie die großtechnische Produktion aussehen kann, zeigt das Beispiel von Greenfield Specialty Alcohols, einem der größten Produzenten von Ethanol und Methanol auf dem nordamerikanischen Kontinent. Das Unternehmen mit Sitz in Toronto, Kanada, produziert jährlich etwa 650 Millionen Liter Alkohole, von denen fast 500 Millionen Liter auf Treibstoffethanol entfallen.
Wie die großtechnische Produktion aussehen kann, zeigt das Beispiel von Greenfield Specialty Alcohols, einem der größten Produzenten von Ethanol und Methanol auf dem nordamerikanischen Kontinent. Das Unternehmen mit Sitz in Toronto, Kanada, produziert jährlich etwa 650 Millionen Liter Alkohole, von denen fast 500 Millionen Liter auf Treibstoffethanol entfallen.
( Bild: Edelmann/Nabil Shash (Shash Photography) )

Wie die großtechnische Produktion aussehen kann, zeigt das Beispiel von Greenfield Specialty Alcohols, einem der größten Produzenten von Ethanol und Methanol auf dem nordamerikanischen Kontinent. Das Unternehmen mit Sitz in Toronto, Kanada, produziert jährlich etwa 650 Millionen Liter Alkohole, von denen fast 500 Millionen Liter auf Treibstoffethanol entfallen. Als Rohstoff nutzen die Kanadier vor allem Mais, der in der Provinz Ontario reichlich angebaut wird. Alkohol als Benzinzusatz trage etwa 35 % zum Geschäftsergebnis bei, erklärte Greenfield.

Und nicht nur das Produkt ist „grün“: Das bei der Fermentation entstehende Kohlendioxid wird in der Bioraffinerie in Chatham aufgefangen und über Pipelines in ein nahe gelegenes Treibhaus gepumpt, wo es zur Aufzucht Kohlenstoff-hungriger Tomatenpflanzen genutzt wird. Eine klassische Win-Win-Situation.

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