Biobasierte Chemikalien

Von Glycerin bis Bernsteinsäure - welches Potenzial haben Grundchemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen?

  • Von Glycerin bis Bernsteinsäure - welches Potenzial haben Grundchemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen? (c) wavebreakmedia/ShutterstockVon Glycerin bis Bernsteinsäure - welches Potenzial haben Grundchemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen? (c) wavebreakmedia/Shutterstock

Erdöl ist eine endliche Ressource und wenn wir es weiterhin verwenden, wird das die Klimaerwärmung beschleunigen. Die Suche nach Alternativen zum Erdöl hat begonnen. Schiefergas und Erdgas sind dabei aber nur Pseudolösungen, denn auch ihr Vorrat ist begrenzt und es handelt sich um fossile Rohstoffe. Der einzige Ausweg sind nichtfossile Rohstoffe. Industrie und Akademia entwickeln fieberhaft Prozesse für biobasierte Rohstoffe, immer unter der Prämisse, dass die Produkte nicht teurer sein dürfen als konventionelle.

Doch bei den aktuellen Rohölpreisen um 74 USD (ca. 60 EUR) pro Barrel können biobasierte Chemikalien preismäßig mit der fossilen Konkurrenz (noch) nicht mithalten. Nicht einmal in Sachen Klimaerwärmung können sie einen Trumpf ausspielen. Denn die Kohlenstoffmenge, die am Ende in Produkten landet, ist gering. Trotzdem haben viele Regierungen biobasierte Produkte in ihre Strategien aufgenommen und ambitionierte Ziele gesetzt.

Strategien für biobasierte Produkte in Europa und den USA

Regierungen rund um den Globus sind sich einig, dass es offizielle Leitlinien für den Übergang zu einer biobasierten Wirtschaft geben muss; die Ansätze dafür sind unterschiedlich. Die Staaten der europäischen Union haben sich auf folgende Punkte geeinigt:

  • Reduzierung der Treibhausgase bis 2030 um 40% (im Vergleich zu 1990)
  • mindestens 27% erneuerbare Energien
  • mindestens 27% Energieeinsparung

Noch konkreter heißt das, dass bis 2020 20% aller Chemikalien und Materialien in Europa biobasiert sein müssen und dieser Anteil steigt bis 2030 auf 25%. In den USA soll die Bioökonomie die Größenordnung von 1 Mrd. t erreichen. Dafür wird bis 2030 jährlich 1 Mrd. t Biomasse nachhaltig produziert. Sie soll einerseits die Basis für die wachsende Bioprodukteindustrie sein, hauptsächlich wird sie aber dafür sorgen, dass bis 2030 im Transportwesen 30% des Kohlenstoffs in den Treibstoffen aus Biomasse stammen – in Form von Biodiesel oder Ethanol-Beimischung zum Benzin.

Welches ist die vielversprechendste biobasierte Chemikalie?

2004 hat das amerikanische National Renewable Energy Laboratory (NREL) zwölf biobasierte Chemikalien benannt, die als Top-Kandidaten für die industrielle Umsetzung galten.

Seither ist eine Menge passiert; im Nachfolgebericht 2016 gibt es wieder eine Liste mit zwölf vielversprechenden Kandidaten. Die Schnittmenge beider Listen ist moderat und besteht aus Bernsteinsäure, Glycerin und para-Xylen.

Auch die EU bemüht sich darum vorherzusagen, welche biobasierten Chemikalien eine Zukunft haben. RoadToBio ist ein EU-gefördertes Projekt, das 2017 gestartet ist und dessen Ziel bis 2019 die Erstellung einer Roadmap ist. Die soll der europäischen Chemie die „sweet spots“ aufzeigen, an denen eine biobasierte Produktion Sinn macht. Im ersten Schritt wurde dafür eine Liste von 120 Chemikalien erstellt, die wirtschaftliches Potential zeigen.

Gleichzeitig wurden die Wertschöpfungsketten von 500 Petrochemikalien unter technischen Gesichtspunkten untersucht. 85% der Wertschöpfungsketten bieten Anknüpfungspunkte, an denen eine biobasierte Chemikalie eine erdölbasierte ersetzen kann. Die Chemikalien, die am häufigsten als ersetzbar genannt wurden, sind Ethylen, Propylen und Methanol.

Schnittstellen zwischen biobasierten und erdölbasierten Chemikalien

Sowohl der NREL-Bericht als auch RoadToBio untersuchen nur Produkte, deren Entwicklung mindestens im Pilotmaßstab angelangt ist. Weiterhin arbeiten beide Studien bislang entlang der Wertschöpfungsketten petrochemischer Produkte. Ein typischer Produktbaum beginnt bei einem niedrigpreisigen Ausgangsstoff wie Ethylen und verzweigt in höherwertige Zwischenprodukte, die dann wiederum vielfältig eingesetzt werden können.

Wann immer eine erdölbasierte Chemikalie durch eine biobasierte ersetzt werden kann, wird dies bei RoadToBio als Einstiegspunkt bezeichnet. Von den 120 Chemikalien in der Grobauswahl haben nur 49 einen Einstiegspunkt in bestehende petrochemische Wertschöpfungsketten, während die anderen 71 dedizierte Chemikalien sind. Dedizierte Chemikalien haben kein petrochemisches Gegenstück und eröffnen damit ganz neue Wege. Milchsäure als Basis für den Biokunststoff Polylactid ist ein bekanntes Beispiel für eine dedizierte Chemikalie. Im Gegensatz dazu sind Drop-ins biobasierte Versionen von bereits existierenden Chemikalien und chemisch mit diesen identisch. Die dritte Gruppe - Smart drop-ins -  haben darüber hinaus noch einen zusätzlichen Vorteil, z.B. einen schnelleren oder einfacheren Produktionsweg oder einen geringeren Energieverbrauch.

Vier Chemikalien, die sowohl in der Top 12-Liste der NREL als auch auf der Top 49-Liste von RoadToBio verzeichnet sind, sind Bernsteinsäure, para-Xylen, Propylenglykol und Glycerin.

Bernsteinsäure

Der derzeitige Weltmarkt für die Dicarbonsäure umfasst 50.000 t/a und ist hauptsächlich für die Synthese von Spezialchemikalien bestimmt. Die Hochrechnungen für das künftige Marktvolumen sind enorm, und dass sie nicht nur theoretischer Natur sind, zeigt die Zahl der Produktionsanlagen, die weltweit gebaut werden. Succinity, BioAmber, Myriant und Reverdia bauen als Einzelfirmen und in verschiedenen Joint Ventures Kapazitäten von 400.000 t für die fermentative Produktion von Bernsteinsäure auf. Die Firmen setzen darauf, dass sich Bernsteinsäure zur Plattformchemikalie entwickeln wird und sich dann eine weitaus größere Produktpalette eröffnet. Mit der Hydrierung von Bernsteinsäure zu 1,4-Butandiol und Tetrahydrofuran würde ein Markt von weiteren 2,4 Mio t/a zugänglich. Wenn dies Realität wird, könnten in Zukunft auch Elasthan-Bekleidung und Polyurethan-Matratzen biobasiert sein.

Para-Xylen

Para-Xylen wird fast ausschließlich für die Herstellung von Polyestern wie Polyethylenterephthalat (PET) eingesetzt, wobei aus dem größten Teil Fasern und Folien gemacht werden. Rund 27% der Weltproduktion werden zu PET-Flaschen verarbeitet.

Virent hat einen kombinierten biochemischen und thermochemischen Prozess entwickelt, bei dem Biomasse zu einer Mischung aus Kohlenwasserstoffen umgewandelt wird. Diese kann dann wie erdölbasierte Kohlenwasserstoffe weiterverarbeitet werden. Mit einer Produktion im industriellen Maßstab ist aber nicht vor 2021 zu rechnen. Die chemokatalytischen Verfahren von Micromidas und Annellotech basieren wie das von Virent auf Zellulose, während Biochemtex auf Lignin setzt. Das einzige Unternehmen, das ein Fermentationsverfahren verwendet, ist Gevo: Zucker aus Biomasse wird mit Hefe zu Isobutanol fermentiert und anschließend chemisch zu para-Xylen transformiert. Derzeit hat keine der Firmen die Produktionskapazitäten, um den Weltmarkt von 65 Mio. t/a zu beeinflussen.

Propylenglykol

Propylenglykol wird in Bodylotion und Haarshampoo eingesetzt. Darüber hinaus ist es vielseitig anwendbar vom Tierfutter bis zum Polyesterharz und hat deshalb einen Weltmarkt von 2,5 Mio. t/a. Propylenglykol wird derzeit aus Propylen hergestellt und ist ein Nebenprodukt des Erdölcrackings, deshalb ist sein Preis eng mit dem Erdölpreis verknüpft. Für biobasiertes Propylenglykol wird üblicherweise Glycerin hydrogenolytisch mit Metallkatalysatoren reduziert, dabei können die Zusammensetzung des Katalysators und die Reaktionsbedingungen variiert werden. ADM hat dafür 100.000 t/a Produktionskapazitäten in den USA und Oleon 20.000 t/a in Belgien. Global Bio-Chem betreibt in China eine 200.000-t/a-Anlage mit Sorbitol aus Mais als Substrat. Das Sorbitol wird zu 1,2-Propandiol, Ethylenglykol und Butandiol gespalten.

Glycerin

Der Zuckeralkohol kann in Bodylotion und in Marzipan gleichermaßen verwendet werden, darüber hinaus hat es mehr als 1.500 Anwendungsmöglichkeiten. Die Erdölroute zum Glycerin geht von Propen aus, spielt aber nur eine untergeordnete Rolle. Der Markt wird bereits von biobasiertem Glycerin dominiert, das ein Nebenstrom der Biodieselproduktion ist. Dafür wird Pflanzenöl mit Alkohol verestert; pro 10 t Biodiesel entsteht dabei 1 t Glycerin. Mit einer Weltjahresproduktion von ca. 2 Mio. t ist der Markt gesättigt, mit stabilen und historisch niedrigen Preisen. Die Industrie sucht deshalb nach Wegen, um höherwertige Produkte aus Glycerin zu machen. Der Einsatz als Fermentationssubstrat für Bernsteinsäure, Zitronensäure, 1,3-Propandiol und Biogas ist zum Teil schon industriell umgesetzt, ebenso wie die Anwendung als Tierfutter.

Wer macht das Rennen? Die interdisziplinäre Zusammenarbeit!

Nur die Zeit wird zeigen, welche der biobasierten Chemikalien ein Renner werden wird und ob RoadToBio zu den gleichen Schlüssen kommen wird wie die NREL-Studie. Der Erdölpreis und politische Entscheidungen der Regierungen sind nur zwei Unwägbarkeiten in der vieldimensionalen Matrix, die den wirtschaftlichen Erfolg eines biobasierten Produktes bestimmt.
Eine der Gemeinsamkeiten der oben diskutierten Stoffe ist, dass es sich um Drop-in-Chemikalien handelt. Sie sind chemisch identisch mit ihren petrochemischen Gegenstücken und für die Weiterverarbeitung spielt es keine Rolle, ob sie aus Erdöl oder aus Biomasse hergestellt wurden. Bei genauerem Hinsehen sind die Produktionsverfahren eine bunte Mischung aus Chemie und Biotechnologie. Fermentationsverfahren werden mit chemischen Transformationen kombiniert; ob ein Metallkatalysator oder ein Enzym eingesetzt wird, hängt davon ab was besser funktioniert. Erlaubt ist was technisch machbar ist. Ein Verfahren ist nicht länger nur chemisch oder biotechnologisch, Kooperation ist die Regel. Die Gewinner auf der Suche nach dem heiligen Gral der biobasierten Chemikalien sind auf jeden Fall die Wissenschaftler aller beteiligten Disziplinen. Sie haben gelernt, über den eigenen Tellerrand hinaus zu schauen und eine völlig neue Perspektive auf Nachbardisziplin zu finden. (mr)

Dieser Beitrag basiert auf einem im Auftrag der Dechema von internationalen Fachjournalisten im Vorfeld der Achema 2018 verfassten Trendbericht. Dass Biotechnologie und Chemie immer weiter zusammenwachsen steht auch beim Achema-Fokusthema „Biotech For Chemistry“ im Mittelpunkt. Im Kongressprogramm gibt es Präsentationen über neuartige Prozesse und Produkte, während die Ausstellung das Equipment zeigt, die für biotechnologische und chemische Prozesse jeglichen Maßstabs eingesetzt wird.

 

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