Verknüpfung von Biotechnologie und Chemie bei der Nutzung nachwachsender Rohstoffe in Forschung und Industrie

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1 Verknüpfung von Biotechnologie und Chemie bei der Nutzung nachwachsender Rohstoffe in Forschung und Industrie Thomas Hirth Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie, Pfinztal

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Prozesse für die Nutzung nachwachsender Rohstoffe 3. Produkte aus biotechnologischen und chemischen Prozessen 4. Zusammenfassung und Ausblick

3 Gliederung 1. Einleitung 2. Prozesse für die Nutzung nachwachsender Rohstoffe 3. Produkte aus biotechnologischen und chemischen Prozessen 4. Zusammenfassung und Ausblick

4 Rohstoff Nutzung nachwachsender Rohstoffe Prozess Produkt

5 Produktlinien aus nachwachsenden Rohstoffen Bioenergie (z. B. Biogas) 12,3 Mio. t Biokraftstoffe (z. B. Biodiesel, Bioethanol) 1,4 Mio. t Biobasierte Produkte (z. B. Polymere, Tenside) 2 Mio. t

6 Nachhaltige Chemie - Entwicklungsschwerpunkte Industrielle Biotechnologie und stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe Reaktions- und Prozesstechnik Materialforschung Quelle: CEFIC European Platform for Sustainable Chemistry Key chemical areas

7 Gliederung 1. Einleitung 2. Prozesse für die Nutzung nachwachsender Rohstoffe 3. Produkte aus biotechnologischen und chemischen Prozessen 4. Zusammenfassung und Ausblick

8 Vom Rohstoff zum Produkt durch physikalische, biotechnologische, thermo-chemische und chemische Prozesse Erdöl Naphtha Ethylen Propylen Aromaten Destillation Cracken Chemische Transformation Monomere Polymerisation Polymere Nachwachsende Rohstoffe??????? Polymere

9 Analogie in der Rohstoffaufbereitung Erdöl NaWaRo Refining Naphtha, Gas Glukose, Zucker Cracking Ethylen, Propylen, Butadien Ethanol, Milchsäure, 5-HMF

10 Unterschiede in der Weiterverarbeitung Petrochemische Rohstoffe Funktionalisierung Ethylen Ethanol Nachwachsende Rohstoffe Entfunktionalisierung Glukose Ethanol

11 Konversionsprozesse für nachwachsende Rohstoffe Rohstoff biotechnologisch chemisch thermisch Temperatur Wassergehalt

12 biotechnologisch Ethanol Probleme: Raum-Zeit-Ausbeute Produkttoleranz Substrattoleranz Milchsäure, Zitronensäure 1,3-Propandiol Cystein, Lysin Vitamin C, B 2

13 chemisch Probleme: unzureichende Verfahren und Katalysatoren Zucker und Polyole aus Kohlenhydraten Glukose, Fructose Sorbit, Mannit Phenolderivate aus Lignin Vanillin Syringaldehyd Furanderivate aus Kohlenhydraten 5-HMF Furfural Alkohole und Säuren aus Ölen Glyzerin, 1.3-Propandiol Ölsäure, Linolsäure

14 thermisch Verbrennung Vergasung Pyrolyse Problem: Wasserstoffunterschuss, Ideal für Fischer- Tropsch-Synthesen ist ein H 2 :C Verhältnis von 2:1 Wärme, C 2, Wasser C, H 2, C 2, CH 4 Gase, Öle, Koks Problem: unselektives Produktspektrum

15 Vom Rohstoff zum Produkt durch physikalische, biotechnologische, thermo-chemische und chemische Prozesse Rohstoff Aufbereitung - Zerkleinerung - Extraktion - Aufschluss Biotechnologische Transformation Chemische Transformation Synthesebausteine

16 Kosten für Rohstoffe und Verarbeitung Erdöl Nachwachsende Rohstoffe Relative Kosten Rohstoff Rohstoff Rohstoff Verarbeitung Verarbeitung Verarbeitung Verarbeitung Rohstoff

17 Gliederung 1. Einleitung 2. Prozesse für die Nutzung nachwachsender Rohstoffe 3. Produkte aus biotechnologischen und chemischen Prozessen 4. Zusammenfassung und Ausblick

18 Plattformchemikalien Als Plattformchemikalien bezeichnet man Chemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen, aus denen sich ein Stammbaum wichtiger Industriechemikalien ableiten lässt. Rohstoff Plattformchemikalie Chemikalie 1 Chemikalie 3 Chemikalie 2

19 Plattformchemikalien aus Kohlenhydraten Glukose C 6 H 12 6 Ethanol C 2 H 6 Milchsäure C 3 H 6 3 Bernsteinsäure C 4 H HMF C 6 H 6 3 Sorbit C 6 H 14 6 C-2 C-3 C-4 C- 6C-1 Bausteine können durch Vergasung über Synthesegas hergestellt werden

20 Ethanol als Plattform-Chemikalie Ethanol Acetaldehyd Ethylen Butadien andere Ethyl Derivate Essigsäure Polyethylen Butadienkautschuke Ester Essigsäureanhydrid Vinylacetat Vinylchlorid Polyvinylchlorid Polyacrylnitril Ethylenoxid Ethylenglykol Duftstoffe Aromastoffe Alkoholate Katalysatoren Treibstoffzusätze Paraldehyd Polyethylenglykol

21 Ethanol als Plattform-Chemikalie Ethanol aus Zucker/Stärke: Bioethanol - Kapazitäten in Deutschland: t/a * in Planung/ Bau: t/a * Ethylen weltweit: 100 Mio. t/a Bioethanol - Produktion in Brasilien: t/a ** Bioethanol - Produktion in USA: t/a *** daraus könnte man ca. 20 Mio. t Ethylen herstellen * Quelle: FNR, 2006 ** Renewable Fuels Association 2005 *** Nexant 2006

22 Herstellung von Ethylen aus nachwachsenden Rohstoffen Fermentation Saccharomyces Cerevisiae Katalysator/ H 3 C CH 2 H o C H 2 C CH 2 Ethanol -H 2 Ethylen Glukose Quelle: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry B.C. Saha, Commodity Chemicals Production by Fermentation,

23 Lignocellulose Aufschluss / Fraktionierung Cellulose Hemicellulose Lignin

24 Aufschlussverfahren für Lignocellulose Sulfat-Verfahren Sulfit-Verfahren Mineralsäuren Ionische Flüssigkeiten Hydrothermalverfahren rganosolv-verfahren (Ethanol, ) Physikalisch-enzymatische Verfahren

25 Enzymatische Spaltung von Cellulose und Hemicellulose Quelle: Liebl u. Sreit

26 Molekülstruktur p-cumarylalkohol Sinapylalkohol 18 H 2 C H 16 H 2 C H C CH H 2 C H H H 2 CH 1 H 2 C H C 3 CH H CH 2 2 C H 15 H 3 C CH 3 H 2 C H CH CH CH 3 1/2 1/2 CH 3 4 H 2 C H H H H 3 C 2 C H H CH 3 CH (CH 3 ) 1/2 C H 2 C H CH 3 H 10 H 3 C H C CH 2 5 CH CH H 2 C H CH H 2 C H H H 2 C CH CH H 3 C (C 6 H 10 5 ) n H CH CH 3 CH 3 CH 2 6 H H 2 C H 13a 14a H 3 C CH 7 H 2 C H CH 3 H H 8 Lignin H 3 C H CH 3 Coniferylalkohol

27 Lignin Hydrothermolytische Spaltung Phenylpropane Polymerisation Duroplastische Phenolharze H 2 C H CH H 2 C CH H 2 C H H (C 5 H 10 5 )nh H 2 C H CH Me H 2 C H CH H H 2 C H H 2 C H C CH 2 H (CH 3 ) 0, 5 Me Me H CH H 2 C CH CH H H 2 C CH CH CH Me Me C Me H 2 C CH H Me H H 2 C H CH Me H Me H 2 C H CH H 2 C H H Me H 2 C H C H H Me Me H 2 C H C CH 2 CH CH 2 H Me Me H H CH 2 CH CH CH 2 H Me Me H CH 2 CH 2 CH 2 CH H 2 H CH CH H Me CH 2 CH 2 CH 2 H H H CH 2 CH 2 H CH 2 H H CH 2 CH 2 CH 2 H H H CH 2 CH 2 CH 2 H H CH 2 Me H Me Quelle: Fraunhofer ICT

28 Milchsäure H CH Polymilchsäure * n * Quelle: CargillDow

29 NatureWorks TM PLA Fasern Polymilchsäure Folien H CH Polymerisation Fermentation Schäume Milchsäure Zucker Rohstoffgewinnung * n * Verpackungen Quelle: NatureWorks

30 H H CH 3 Milchsäure Welche Route? H H 2 H 3 C H 2 CH 3 Dilactid n H CH 3 PLA Poly(3,6-dimethyl-1,4-dioxan-2,5-dion) Quelle: CargillDow

31 Produkte aus Milchsäure Polycarbonate Polyester Polymilchsäure Polyurethane Epoxide Propylenoxid Propylenglykol Milchsäure Polyacrylsäure TPE Harze Acrylsäure Milchsäureester Chirale Synthesebausteine

32 Natürliche Fette und Öle Struktur und Reaktionen H C R 2 Triglyzerid R 1 18 R 3 Ölsäure Reaktionen an der Carboxylgruppe Reaktionen an der Doppelbindung Reaktionen an der endständigen Methylgruppe Reaktionen des Glyzerins H C 18 Linolsäure H C 18 Linolensäure

33 Endständige xidation von Fettsäuren durch biotechnologische Prozesse zur Herstellung α,ω-substituierter Monomere Inaktivierung der beta-xidation Verstärkung/ptimierung der ω-xidation Produktionsstämme: Candida sake, Yarrowia lipolytica, Candida tropicalis Quelle: IGB, Stuttgart

34 Neue Monomere durch biotechnologische Prozesse α,ω-difunktionale Verbindungen H 2 C CH 2 x y CH CH CH H H H CH NH 2 H NH 2 NH 2 NH 2 C H 2 z Eigenschaften werden bestimmt durch: Anzahl der Methylengruppen Anzahl und Lage der Doppelbindungen

35 Glyzerin als Plattformchemikalie Primärprodukt aus der Fettsäurespaltung und Biodieselherstellung Biodiesel - Kapazitäten in Deutschland (2006): 2,35 Mio. t/a * in Planung/im Bau: 2,28 Mio. t/a * USA installierte Kapazität (2006): 1,90 Mio. t/a ** im Bau: 4,60 Mio. t/a ** Verfügbares Glyzerin: t/ a * FNR ** US National BioDiesel Board

36 Glyzerin als Plattform-Chemikalie Glyzerin Acrolein Allylalkohol 1,3-Propandiol Epichlorhydrin Glyzerincarbonat Acrylsäure Glycidol Polytrimethylenterephthalat Polyacrylsäure

37 Rohstoffadaptierte Enzyme für die Umwandlung von Glyzerin zu 1,3 Propandiol (Vitamin B12 unabhängig) Glyzerin 3-HPA 1,3 Propandiol Glyzerin- Dehydratase 1,3 PD Dehydrogenase Produktionsstämme: E. coli, Clostridium Quelle: IME, Aachen

38 Polymere auf Basis von 1,3-Propandiol und Terephthalsäure CH CH + H H * C C - H 2 * n

39 Polymere auf Basis von 1,3-Propandiol und 2,5-Furandicarbonsäure CH H H m + - H 2 Quelle: Fraunhofer ICT H C C m H n

40 Hydrothermolyse von Kohlenhydraten Zucker Hydrothermolyse reduktive Hydrothermolyse H H -CH 2 CH 5-HMF 5-Hydroxymethylfurfural H H H H H H H Mannit H H H H H Sorbit DHD 2,5-Dihydroxydioxan Polyalkohole Quelle: Fraunhofer ICT

41 Herstellung von 2,5-Furandicarbonsäure H H H Quelle: Fraunhofer ICT

42 Gliederung 1. Einleitung 2. Prozesse für die Nutzung nachwachsender Rohstoffe 3. Produkte aus biotechnologischen und chemischen Prozessen 4. Zusammenfassung und Ausblick

43 Zusammenfassung Zunehmender Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen ist festzustellen. Bioethanol, Glyzerin und Milchsäure werden bereits im technischen Maßstab eingesetzt. Hoher Funktionalisierungsgrad der nachwachsenden Rohstoffe erfordert neue Synthesestrategien. Für die Herstellung von biobasierten Produkten gibt es verschiedene Wege. Die Syntheseleistung der Natur sollte optimal ausgenutzt werden. Biobasierte Produkte bieten interessante Eigenschaften.

44 Ausblick Integrierte Bioproduktion (Bioraffinerie) Integrierte Bio-Produktion thermo-chemisch Rohstoffe chemisch biotechnologisch Kombinationen Produkte

45 Vielen Dank für die Unterstützung der Arbeiten BMBF und Projektträger DLR und PTJ Deutsche Bundesstiftung Umwelt BMLEV und Projektträger FNR Universitäre Projektpartner Industrielle Projektpartner Fraunhofer-Gesellschaft Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit