Der Einsatz nachwachsender Rohstoffe findet zunehmendes Interesse. Sehr unterschiedliche alternative Routen werden angeboten. Davon haben einige bereits industrielle Skalierungen erreicht. Viele befinden sich aber erst im Stadium der Untersuchung. In diesem 2. Teil des Beitrags werden Herausforderungen für das Prozessieren von Biomasse sowie die Einführung von Biomasse in den stofflichen Verbund der Chemie erläutert.

Herausforderungen Prozesse

Für das Prozessieren von Biomasse stellt sich immer die Frage nach dem geeigneten Verfahren. Und immer gilt es, zwischen biotechnischen Verfahren und chemisch-thermischen Verfahren zu entscheiden.

Wenn es um die Verwertung von Stärke oder Zuckern geht, scheinen biotechnologische Verfahren immer das Mittel der Wahl zu sein. Einige der in Tab. 1 genannten Stoffe stellen interessante, neue Plattformchemikalien dar, andere können in den vorhandenen Verbund eingeführt werden:
Essigsäure und Ameisensäure sind Beispiele für vorhandene Plattformchemikalien. Die Bedeutung von Bernsteinsäure, welche z.B. zu Butan-1,4-diol, Butan-1,4-diamin oder zu Maleinsäureanhydrid derivatisiert werden können, könnte gestärkt werden.
Der Einsatz von Substraten wie Glucose oder Lactose ist zwar vorteilhaft, setzt jedoch die Aufbereitung von Biomasse zu solchen Zuckern voraus. Die Ausbeuten dabei sind jedoch nicht zufriedenstellend.

Nehmen wir den Fall der Gärung zu Butanol, das in der Regel aus einem Gemisch von Stoffen wie Aceton, Butanol und Ethanol sowie Butter- und Essigsäure erzeugt wird. Diese Fermentation findet in einem wässrigen Medium statt, in dem die Konzentration von Butanol kaum 2,5 % übersteigt. Nicht umgesetzte Edukte, Mikroorganismen und natürlich das Lösungsmittel Wasser müssen voneinander geschieden werden. Eine Trennung, die mit Investitions- und Energie- bzw. Erhaltungsaufwand verbunden ist.
In Bezug auf eine wirtschaftlich lohnende Erzeugung von Butanol werden Versuche unternommen, auch hier durch den Einsatz von Mikroorganismen die Umsätze zu erhöhen.

Die hohe Spezifität des Substrats einerseits und die unbefriedigenden Ausbeuten der verschiedenen biotechnologischen Prozesse andererseits lenken die strategische Überlegung dahin, chemisch-thermische Prozesse in Betracht zu ziehen. Etwa die Pyrolyse der Biomasse zu Reformiergas, das in einem weiteren Prozess zu Kohlenwasserstoffen entsprechend seiner Zusammensetzung, der Art des Katalysators und der Reaktionsparameter zu Kohlenwasserstoffverbindungen synthetisiert wird. Diese als Fischer-Tropsch- oder Bergius-Verfahren bekannten Prozesse werden heutzutage perfekt beherrscht, wobei ein nicht unerheblicher Teil der Biomasse als Energielieferant für die Pyrolyse aufgewendet werden muss. Zudem wird von der stofflichen Natur der Biomasse kein Gebrauch gemacht. Mit dem Ergebnis, dass ein ganzes Spektrum von Verbindungsklassen entsteht, deren stoffliche Weiterverarbeitung abermals der Trennung des Gemischs und somit eines Aufwands an Trennenergie und Investition bedarf.

Die Pyrolyse mit nachfolgender Synthese aus dem Reformiergas bedarf erheblicher Investitionen.
Um diesem Problem zu begegnen, haben verschiedene Forscher, z. B. an der Universität von Whitwatersrand in Südafrika, einen Verbund mit geringerem Investment und verbesserter Katalyse entwickelt. Auch das hybride Modell von Lurgi berücksichtigt die schwierigen Randbedingungen: Aus Biomasse wird ein Slurry gewonnen, der mit deutlich geringerem Transportaufwand zu einer zentralen, vorzugsweise biotechnischen Weiterverarbeitung gebracht wird.

Herausforderung Down-stream

Die Einführung von Biomasse in den stofflichen Verbund der Chemie verlangt nicht nur strategische Weichenstellungen im Up-stream oder im Prozessieren von Biomasse, sondern auch genaue Überlegungen für den Down-stream. Dabei unterscheiden wir drei Fälle:

• Biomasse wird ohne oder nur mit geringer Wirkung für den bestehenden chemischen Verbund für ein besonderes Zielprodukt verwendet. Etwa bei der gezielten Herstellung von Zitronensäure über Aspergillusarten aus Saccharose.
• Biomasse wird zur Herstellung von neuen Plattformchemikalien oder zur Stärkung bisher kleinskaliger Plattformchemikalien eingesetzt, wodurch neue Verbundstrukturen entstehen würden. Etwa die Bioraffinerie, die wie eine petrochemische Raffinerie ein ganzes Spektrum von Stoffen bereitstellt, die als Plattformchemikalien dienen. Als Beispiel hierfür ist die biotechnologische Herstellung von Bernsteinsäure zu nennen.
• Biomasse wird so aufbereitet, dass sie die bekannten Plattformchemikalien, wie z.B. Aromaten und Olefine bietet. Die Verwendung von EtOH oder anderen Kraftstoffalkoholen für die Herstellung von Olefinen lässt sich gut als Beispiel heranziehen. Noch längere Erfahrungen gibt es beim Einsatz von langkettigen Fettalkoholen aus pflanzlichen Fetten und Ölen für die Herstellung von Tensiden.

Erfolgreiche Beispiele der Verwendung von biogenen Rohstoffen sprechen dafür, dass sich die Zielprodukte im petrochemischen Verbund nicht auf vergleichbare ökonomische Weise herstellen lassen. Die Herstellung solcher Produkte aus Biomasse ist erfolgreicher. Inzwischen ist die Tensidindustrie in der Lage, je nach Verfügbarkeit der Rohstoffe zwischen oleochemischen und petrochemischen Verfahren zu wechseln. In den letzten Jahren wurden etwa im indonesisch-malayischen Raum große Plantagen für Oleo-Rohstoffe angepflanzt. Dort haben native Rohstoffvorkommen eine große Zukunft.

Ausblick

Der Aufbau neuer Plattformchemikalien muss Hürden nehmen. Da ist einmal die von der chemischen Industrie geforderte hohe Reinheit bioraffinierter Produkte. Zum anderen werden Derivatisierungen zu bekannten oder substituierenden Chemikalien verlangt.

Ob Biomasse in einen bestehenden Verbund eingekoppelt werden kann, hängt stark von der Effektivität der Verfahren ab. Immerhin verfügt die Chemieindustrie mit den Kraftstoffalkoholen aus Biomasse über ein vergleichbar attraktives Reservoir wie etwa mit Naphtha für Olefine. Die Kraftstoffindustrie setzt besonders auf EtOH, da die Verfahren zu dessen Herstellung optimal beherrscht werden. Länder mit einer gut eingeführten EtOH-Wirtschaft, z.B. Brasilien, entwickeln inzwischen eine Produktion von Olefinen aus EtOH in verschiedenen Verfahren. Die meisten stimmen darin überein, dass zunächst Ethylen mit einer nicht bekannten Ausbeute derivatisiert wird.

Im Anschluss daran werden aus diesem Ethylen zunächst Butylene und daraus schließlich Propylen gewonnen. Fraglich ist, ob diese Vielzahl von Konversionen noch eine wettbewerbsfähige Produktion gewährleisten kann. Noch aufwändiger ist die Herstellung von Butadien, bei der nach den genannten Konversionen abschließend noch ein Dehydrierungsschritt angeschlossen werden muss. Hier wäre als alternative Lösung die Heranziehung des Lebedew-Prozesses denkbar, weil eine moderne Katalyse bisher nicht bekannt ist. Auch die Anwendung des Ostromislensky-Prozesses über Acetaldehyd mit anschließendem Aldolisieren und Ableiten von Butandiol kommt infrage. Denn dessen Dehydratisierung führt zum gewünschten Butadien.

Ungeklärt bleibt unterdessen, ob EtOH als Kraftstoff aus Biomasse attraktiv bleibt. Klar ist nämlich, dass Butanol der bessere Kraftstoff wäre, wenn denn dessen Herstellung durch neuere Verfahrenstechniken optimiert werden könnte.

Resümee

Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung von Biomasse eine attraktive Alternative zu fossilen Rohstoffen darstellt. Nicht ohne Schwierigkeiten, deren Überwindung in Bezug auf das Ankuppeln an Kraftstoffchemikalien (heute vorzugsweise EtOH, auf der Basis von Biomasse zur Konversion in existente Plattformchemikalien, wie z.B. Olefine) der wahrscheinlich gangbarste Weg ist. Es liegt auf der Hand, dass dafür eine wirtschaftlich attraktive Produktion von EtOH nötig ist. In Ländern mit hoher Zuckerausbeute versteht sich das von selbst, was auch bedeutet, dass diese Verfahren regional begrenzt bleiben werden.

Betrachten wir die prognostizierte zunehmende Rohstoffknappheit, dann stellt sich die Aufgabe eines vollständigen und quantitativen Assessments anderer Routen von der Erzeugung bis zu den Zielprodukten. Biotechnologische Routen einschließlich des Einsatzes von Biokatalysatoren müssen dabei unbedingt einbezogen werden. Immerhin könnte bald die abnehmende Verfügbarkeit anorganischen Materials entscheidender werden als die Engpässe in der organischen Chemie. 

Den Teil 1 des Beitrags lesen sie hier:
Nachwachsende Rohstoffe