Biobasierte Produkte Nachwachsende Rohstoffe als Ersatz fürs Erdöl? Die Natur als chemische Fabrik

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1 Biobasierte Produkte Nachwachsende Rohstoffe als Ersatz fürs Erdöl? Die Natur als chemische Fabrik Thomas Hirth Fraunhofer-Institut Chemische Technologie, Pfinztal

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Rohstoffe 3. Prozesse 4. Produkte 5. Zusammenfassung und Ausblick

3 Treiberfaktoren für eine nachhaltige Entwicklung von Produkten und Prozessen Bevölkerungswachstum Ressourcenverknappung Rohstoffkosten Treibhauseffekt Billions of Barrels Annual Global Petroleum Production Actual Hubbert Prediction Year Ökonomie Ökonomie Ökologie Ökologie Nachhaltigkeit Soziales Soziales

4 rientierungsrahmen Rahmenplan Grundschule I Natürliche Phänomene und Gegebenheiten Perspektive Natur - Natur erforschen und Pflanzen-Sammlungen für den Unterricht anlegen. - Energiequelle Natur kennen lernen. - Nahrungsketten recherchieren. Ich und Andere Perspektive Gesellschaft - Arbeitsteilig ein gemeinsames Produkt erstellen. - Wissen und respektieren, dass alle Menschen die gleichen Rechte haben. - Mit Arbeitsstätten in der Region vertraut werden.

5 rientierungsrahmen Rahmenplan Grundschule II Bebaute und gestaltete Umwelt Perspektive Technik - Materialien sach- und umweltgerecht verwenden. - Alte und neue Werkzeuge, Maschinen und Verfahren kennen und vergleichen. - Folgen menschlicher Eingriffe in die Natur kennen und bewerten. Umgebungen erkennen und gestalten Perspektive Raum - Typische Lebensgrundlagen in der Region erkunden. - Positive und negative Veränderungen von Veränderungen in der Landschaft erkennen. - Naturschutzmaßnahmen kennen und beachten.

6 rientierungsrahmen Rahmenplan Grundschule III Vergangenheit, Gegenwart, Zukunft Perspektive Zeit - Kennen lernen und Unterscheiden der natürlichen, physiologischen, biologischen und kulturell gesetzten Zeitabläufe. - Veränderungen menschlicher Lebensbedingungen erkennen, vergleichen und für die unterschiedlichen sozialen und wirtschaftlichen Gegebenheiten sensibilisiert werden. - Sich der Verantwortung gegenüber Risiken und Gefahren bewusst werden.

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

8 Fraunhofer-Innovations-Themen (FITs) 1. Internet der Dinge 2. Intelligente Produkte und Umgebungen 3. Mikroenergietechnik 4. Adaptronik 5. Simulierte Realität für Produkte und Prozesse 6. Mensch-Maschine Schnittstelle 7. Grid Computing für Unternehmen 8. Integrierte Leichtbausysteme 9. Industrielle weiße Biotechnologie 10. Licht als Werkzeug 11. Polytronik 12. Sicherheitstechnologien zur Gefahrenabwehr

9 Lösungsstrategie: Die Natur als chemische Fabrik Nutzung der Syntheseleistung der Natur 6 C H 2 Sonnenlicht C 6 H "Die Natur ist der Ursprung aller Dinge" Thales, 6. Jhd. v. Chr.

10 Erste Bioraffinerie (1920) für Energie und Chemikalien der Holzverkohlungsindustrie AG 1000 kg Holz ergeben 260 kg Kohle 190 kg Gas 440 kg Flüssigkeiten (400 kg Wasser, 50 kg Essigsäure, 10 kg Methanol u.a.) Quelle: Degussa

11 Von petrochemischen zu nachwachsenden Rohstoffen NaWaRo

12 Rohstoffbasis für das 21. Jahrhundert Kohle (bis 1950) Erdöl / Erdgas (ab 1950) Biomasse? Beim Übergang von der Kohle auf Erdöl mussten viele chemische Verfahren neu entwickelt werden Was ist zu tun beim Übergang vom Erdöl auf Biomasse? "ffensichtlich geht man davon aus, dass alle notwendigen chemischen Methoden grundlegend bekannt sind und dass sie ohne Probleme auf Biomasse angewendet werden können" "Dies ist ein Irrtum" J. Metzger, Nachr. 4 (2003), 458

13 Nachwachsende Rohstoffe sind land- und forstwirtschaftlich erzeugte Produkte, die nicht im Nahrungsbereich verwendet werden. Sie können stofflich oder energetisch genutzt werden. Biomasse ist die Gesamtmasse an organischem Material in einem definierten Ökosystem, Industriepflanzen die biochemisch sind ein- produziert oder mehrjährige worden Pflanzen, ist. die zur gezielten Sie Erzeugung enthält die von Masse Rohstoffen aller Lebewesen, für die Industrie der abgestorbenen außerhalb der rganismen Nahrungskette und die dienen. organischen Stoffwechselprodukte Energiepflanzen sind Pflanzen, die als Energieträger für die Wärme- und Stromgewinnung eingesetzt werden.

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

15 Produktlinien aus nachwachsenden Rohstoffen - Ziele der EU und Deutschlands Jahr Bioenergie 7,5 % k. V. 12,5 % 26% (2030) 58% (2050) Biokraftstoffe 1,4 % 2,8 % 5,75% 20% (2020) Biobasierte Produkte 8-10% k. V. k. V. k. V. k. V. = keine Vorgabe Quelle: Current situation and future prospects of EU industry using renewable raw materials, Brussels, 2002

16 Produktlinien aus nachwachsenden Rohstoffen - Ziele der USA Jahr Bioenergie 2.8 % 4 % 5 % 5 % Biokraftstoffe 0.5 % 4 % 10 % 20 % Biobasierte Produkte 5 % 12 % 18 % 25 % Quelle: Visions for Bioenergy & Biobased Products in the United States, Washington D.C., 2002

17 Rohstoff Prozess Produkt

18 Was ist beim Einsatz nachwachsender Rohstoffe zu beachten? Ausreichende Verfügbarkeit Konstante Qualität Wettbewerbsfähige Preise Elementare Zusammensetzung Stoffliche Zusammensetzung Molekülstruktur Zielprodukte

19 Hauptbestandteile der Biomasse andere Pflanzenmaterialien 4% Tierreich 1% andere Polysaccharide 26% Cellulose 39% Lignin 30%

20 Ölpflanzen Raps, Öllein, Soja, Sonnenblume, Palmöl, Mohn Zuckerpflanzen Zuckerrübe, Zuckerhirse, Zuckerrohr, Topinambur, Zichorie Färbepflanzen Waid, Indigo, Krapp, Färberdistel, Färberwau, Henna Industriepflanzen Pestizidliefernde Pflanzen Neembaum, Chrysantheme Zelluloseliefernde Pflanzen ein- und mehrjährige Pflanzen Stärkepflanzen Kartoffel, Körnermais, Markerbsen, Tapioka Faserpflanzen Hanf, Flachs, Baumwolle, Ramie, Brennessel, Sisal Heilpflanzen Baldrian, Johanniskraut, Ringelblume, Sonnenhut, Ginseng, Kamille Gummiliefernde Pflanzen Gummibaum Korkliefernde Pflanzen Korkeiche

21 Entwicklung der landwirtschaftlichen Erträge Quelle: Cargill

22 Nachwachsende Rohstoffe in der chemischen Industrie Pflanzliche Öle t Naphtha 77% Tierische Fette t Chemiestärke t Cellulose t Erdgas Nachwachsende Rohstoffe 10% Zucker t ,4 8,9 8 10% Kohle 6 4 3% 2 Quelle: VCI, FNR, méo

23 Rohstoffpreisentwicklung * Quelle: Cargill

24 Rohstoffe - Mengen und Preise * Ethylen 100 Mio. t/a 1000 /t Propylen 64 Mio. t/a 1000 /t Benzol 23 Mio. t/a 900 /t Cellulose 320 Mio. t/a 500 /t Stärke 55 Mio. t/a 250 /t Zucker 140 Mio. t/a 250 /t Ethanol 32 Mio. t /a 650 /t * Quelle: Nexant

25 Was ist beim Einsatz nachwachsender Rohstoffe zu beachten? Ausreichende Verfügbarkeit Konstante Qualität Wettbewerbsfähige Preise Elementare Zusammensetzung Stoffliche Zusammensetzung Molekülstruktur Zielprodukte

26 Elementare Zusammensetzung von Rohstoffen Erdöl Öle/Fette Lignocellulose (Holz) C 85-90% 76% 50% H 10-14% 13% 6% 0-1,5% 11% 43%

27 Hauptbestandteile von Lignocellulose Stoffliche Zusammensetzung Gehalt Aufbau Funktion Cellulose 40-55% Hemicellulose 15-35% langkettiges Makromolekül aus Glucoseeinheiten kurzkettiges, verzweigtes Makromolekül aus Pentosen Gerüstsubstanz der Zellwand Gerüstsubstanz der Zellwand Lignin 28-41% (Nadelholz) 18-25% (Laubholz) dreidimensionales Makromolekül aus Methoxyphenylpropaneinheiten Füllsubstanz im Zellgerüst, verursacht die Verholzung

28 Molekülstruktur - Kohlehydrate Stärke CH 2 H CH 2 H CH 2 H H H H H CH 2 H H H H H 4 6 CH 2 5 H 3 2 CH 2 H 1 H Amylose H H Amylopektin Cellulose Cellobiose-Einheit H H H CH 2 H H 4 CH 2 H 2 H 1 H 4 H 2 CH 2 H 1 n H CH 2 H H H

29 Biobasierte Produkte Polymere Tenside Lösungsmittel Farbstoffe Geruchsstoffe Pharmawirkstoffe Kosmetika Kraftstoffe Schmierstoffe Fasern Rohstoffe Lignin Cellulose Chitin Hemicellulose Zucker Stärke Öle und Fette Terpene

30 Rohstoff Prozess Produkt

31 Vergaserkraftstoff Erdöl Produktlinien der chemischen Industrie auf Basis von Erdöl und Erdgas LPG Erdgas Heizöl Raffinerie Naphta Heizöl Vak.-Rückstand Chemiewerk Chemische Produkte Reformat Aromaten- Anlage Benzol Toluol Xylol Ethylen, Polyethylen, Styrol, Polystyrol, Adipinsäure, Polyamid

32 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

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

34 Konversionsprozesse für nachwachsende Rohstoffe Rohstoff biotechnologisch chemisch thermisch Temperatur Wassergehalt

35 Biotechnologie Eine Frage der Farbenlehre? Rote Biotechnologie Grüne Biotechnologie Blaue Biotechnologie Weiße Biotechnologie

36 Erster enzymatischer Prozess in technischem Maßstab (tto Röhm, 1906) Quelle: Degussa

37 Industrielle biotechnologische Prozesse Ethanol Zitronensäure Polymilchsäure Aminosäuren (L-Lysin, L-Glutaminsäure) Vitamine (B2 und B12) > t/a t/a t/a mehrere t/a mehrere t/a Weniger als 1% der natürlichen Biodiversität wird genutzt

38 Anteil biotechnologischer Verfahren an der Wertschöpfung Sektor Marktanteil in Mrd. Dollar Anteil biotechnologischer Verfahren 2004 in % Anteil biotechnologischer Verfahren 2010 in % Feinchemikalien Polymere Spezialchemikalien Basischemikalien Quelle: Chemical Week, February 2004 und McKinsey & Company, 2004 Industrielle, weiße Biotechnologie als Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts Industrie zielt damit auf die Reduzierung des Verbrauchs an Wasser und Energie, die effizientere Nutzung von Rohstoffen und den verstärkten Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen

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

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

41 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

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

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

44 Rohstoff Prozess Produkt

45 Biobasierte Produkte Polymere Tenside Lösungsmittel Farbstoffe Geruchsstoffe Pharmawirkstoffe Kosmetika Kraftstoffe Schmierstoffe Fasern Rohstoffe Lignin Cellulose Chitin Hemicellulose Zucker Stärke Öle und Fette Terpene

46 Marktchancen und Anwendungspotentiale für biobasierte Produkte* Chemische Zwischenprodukte & Polymere Spezialchemikalien (Lösungsmittel, Tenside, Klebstoffe, ) Fasern Schmierstoffe Marktsektor Verbrauch (in t) Verbrauch nachwachsender Rohstoffe (in t) Potential 2010 (in t) Polymere Schmierstoffe Lösungsmittel Tenside * Current Situation and future prospects of EU Industry using Renewable Raw Materials, EU Report, 2002

47 Produkte auf Basis von Kohlehydraten Zucker, Stärke und Cellulose

48 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

49 Plattformchemikalien aus Erdöl

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

51 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

52 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

53 Chemische Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen ein Zahlenbeispiel Produktionsmengen der Chemie in Deutschland 1) - Ethylen 5.0 Mio Tonnen - (Propylen 3.5 Mio Tonnen) 5 Mio Tonnen Ethylen erfordern 8.5 Mio Tonnen Ethanol diese erfordern bei ihrer Herstellung durch Fermentation ca. 19 Mio. Tonnen Glucose diese würden eine Anbaufläche von ca. 2 Mio ha benötigen (als Zuckerrüben) 2) 1) Statistisches Bundesamt 2) Martin Graber, Der Zuckermarkt in Deutschland 2003: ha Anbaufläche, 4 Mio t Zucker

54 Produkte aus Ethanol Quelle: Degussa

55 Lignocellulose Aufschluss / Fraktionierung Cellulose Hemicellulose Lignin

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

57 Aufschluss Filtration Cellulose Lignin Einengen, Fällen, LM-Entfernung Hemicellulosen

58 Molekülstruktur p-cumarylalkohol Sinapylalkohol 18 H 2 C H 16 H 2 C H C HC CH H 2 C H HC H H 2 CH 1 H 2 C H C HC 3 CH H CH 2 2 C H 15 H 3 C CH 3 H 2 C H HC HC CH CH CH 3 HC 1/2 1/2 CH 3 HC 4 HC H 2 C H CH 3 H 3 C H 2 C H H HC HC H CH (CH 3 ) 1/2 HC C H 2 C H CH 3 HC H HC 10 H 3 C HC H C CH 2 5 HC CH CH H 2 C H CH H 2 C H HC HC H HC H 2 C CH CH H 3 C HC (C 6 H 10 5 ) n H HC CH 11 HC 12 CH 3 CH 3 HC CH 2 6 H H 2 C H 13a 14a H 3 C CH 7 H 2 C H CH 3 H HC H HC 8 HC Lignin H 3 C H CH 3 Coniferylalkohol

59 Produkte aus Lignin-Compounds Quelle: Fraunhofer ICT

60 Lignin Hydrothermolytische Spaltung Phenylpropane Polymerisation Duroplastische Phenolharze Me H 2 C H CH HC HC H 2 C H CH HC H 2 C H HC (C 5 H 10 5 )nh H 2 C H CH Me HC H 2 C H CH HC H H 2 C H HC HC H 2 C H C HC CH 2 H (CH 3 ) 0, 5 Me H 2 C CH HC CH Me H CH H 2 C CH CH H CH Me HC Me C Me CH HC H Me H 2 C H H 2 C H CH HC Me H HC Me H 2 C H CH H 2 C H HC H HC Me C HC HC H 2 C H HC H HC H Me Me H 2 C H C CH 2 CH HC CH 2 H Me Me H H CH 2 CH CH HC CH 2 H Me Me H CH 2 CH 2 CH 2 CH H 2 H CH CH H Me CH 2 CH 2 H CH 2 H H CH 2 CH 2 H H CH 2 CH 2 CH 2 H CH 2 H H CH 2 CH 2 CH 2 H H H CH 2 Me H Me

61 Milchsäure H CH Polymilchsäure * n * Quelle: CargillDow

62 Anwendungen für PLA

63 Anwendungen für PLA Quelle Cargill

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

65 Hydrothermolyse von Kohlehydraten Zucker Hydrothermolyse reduktive Hydrothermolyse H H H-CH 2 CH 5-HMF 5-Hydroxymethylfurfural H H DHD 2,5-Dihydroxydioxan H H H H H H H H H Mannit H Sorbit Polyalkohole

66 Produkte der reduktiven Hydrothermolyse Sorbit Sorbit Glukose Polyol-Gemisch

67 Einsatz der Polyalkohole für die Herstellung von PU-Hartschaum

68 Ergebnisse Compressive strength _ _ rise for reference #1 and formulation # Comp. stress (kpa) % compression Reference #1 Formulation #3

69 Produkte auf Basis von Fetten und Ölen

70 Natürliche Fette und Öle Quelle: Gruber, Uni Darmstadt

71 Natürliche Fette und Öle Struktur und Zusammensetzung R 1 R 2 H C Triglyzerid 18 R 3 Ölsäure H C 18 Linolsäure H C 18 Linolensäure

72 Fettsäurezusammensetzung von Ölen und Fetten Coconut Palm il ils Cotton Peanut Soybean Canola Corn Linoleic Sunflower (Std) Mid leic Sunflower High leic Sunflower live 0% 20% 40% 60% 80% 100% S aturated Linoleic Linolenic leic

73 Natürliche Fette und Öle Spaltung in die Bestandteile Quelle: Behr, Uni Dortmund

74 Reaktionen an der Carboxylgruppe Quelle: Behr, Uni Dortmund

75 Kosmetische Produkte aus Fettsäuren

76 Reaktionen an der Doppelbindung Quelle: Behr, Uni Dortmund

77 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

78 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

79 Bismutmolybdat Acrylsäure CH 2 =CH-CH= Acrolein CH 2 =CH-CH 2 H Allylalkohol 20 C/2h + C 2 /H 2 + H 2 / C/ 20bar; Degussa DE Mordenit- oder Montmorrilonit-Zeolithe + H 2 (Mg/Zn) Δ (240 C) + HC-CH + H 2 2 /CH 3 H Ti-silic./Na 2 (W 4 ) 2 Yield: 80 % Glycidol + Glycerin H Degussa DE C (Al 2 3 /H 3 P 4 ) + H 2 H H H Glycerin sc. C 2 /Zeolithe oder Ionentauscher H H 3 C CH 2 Hydroxyaceton BASF (EP582201) CH CH 3 H CH 3 Dimethoxycarbonat Henkel: (DE ) 3-Hydroxypropanal + H 2 conti. /Cu-Zn/ 200 C/250 bar/45 min 1,2-P + C/H 2 (Rh(C) 2 /H 2 W 4 /Meth.pyrrolidon) 200 C, 300 bar, 24 h (Celanese US ) 110 C 6 bar 63 h + H + C/ 2 (80:20) (CuCl) H Glycerincarbonat Degussa DE H 2 H C bar (Ni. or Ru) H 1,2-Propandiol (1,2-P) H + 1,3-Propandiol H -C 2 + ⅓ Glycerol 200 C /1h/ 40 mbar/ NaH 2 P 4 od NaF od CaF od Zeolith A (BASF: EP :Nebenprodukt:Hydroxyaceton) W

80 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

81 Polymere auf Basis von 1,3-Propandiol und Terephthalsäure (PTT) CH CH + H H * C C - H 2 * n

82 Produkte auf Basis von Terpenen

83 Biobasierte Elastomere Hevea brasiliensis

84 Isolierung und Aufarbeitung von Naturkautschuk - C - C C - C - - C C - - C - C - C - C C - Hevea brasiliensis Taraxacum kok saghyz Polyisopren - C - C C - C - C - Zusammensetzung Latex: 60 % Wasser, 35 %Polyisopren, 2 % Harze, 2 % Proteine

85 Isolierung und Aufarbeitung von Naturkautschuk Wässrige Phase Ölphase Latexphase Natual Rubber (1. Inj.) Natual Rubber (2. Inj.) Rubber TR (1. Inj.) Rubber TR (2. Inj.) Mn [g/mol] Mw [g/mol] D (Mw/Mn) , , , ,83

86 Produkte auf Basis von Naturfasen

87 Überblick über Naturfasern Pflanzenfasern Bastfasern Blattfasern Frucht- u. Samenfasern Flachs Hanf Kenaf Jute Ramie Fasernessel Chinaschilf (Miscanthus) Sisal Curaua Banane Ananas Baumwolle Kokos Kapok

88 Vor- und Nachteile von Naturfasern in Verbundwerkstoffen Vorteile Geringe Dichte (ca. 1.3 g/cm³, z. Vgl. GF: 2,6 g/cm³) Hohe Steifigkeit und Festigkeit Gute Crasheigenschaften Gute Schall- und Wärmedämmung Nachteile Qualitätsschwankungen beim Anbau Eingeschränkte Temperaturbeständigkeit Geruch und Emissionen Recyclingfähigkeit

89 Werkstoffpotential naturfaserverstärkter Kunststoffbauteile Quelle: Th. Schlößer, J. Kurthe, Kunststoffe, 87 (1997)

90 Naturfasern im Automobil-Innenraum Beispiel: Holzfaser-Formstoff (HFFS) für Türinnenverkleidungen Quelle: Kunststoffe, 8 (2003), S.77, J. Gassan, Faurecia

91 Serienstand Interieur E-Klasse DaimlerChrysler

92 Verbundwerkstoffe Glasfasern Naturfasern Ziel Synthetische Polymere Biopolymere

93 Biopolymere und Bioverbundwerkstoffe Ein Potential für die Zukunft Biomasse Lignin Amines Phenols Phenolic resin Diphenolic acid Polyalcohols Formaldehyde α- angelicalactone Polyurethane Polycarbonate Cellulose Fibres Lignin resin Poly-(αangelicalactone) Cellulose block based copolymers Bio and biocomposite materials Automotive Electronics Packaging Building Furniture Quelle: Fraunhofer ICT

94 Zusammenfassung Zunehmender Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen ist festzustellen. Naturfasern, Bioethanol, Milchsäure, Glyzerin und Fettsäuren 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.

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

96 Biomass Feedstocks Starch Hemicellulose Cellulose Lignin il Intermediate Platforms Biobased Syn Gas Sugars Glucose Fructose Xylose Arabinose Lactose Sucrose Starch SG C2 C3 C4 C5 C6 Building Blocks H 2 Methanol Mixed alcohols Higher alcohols xo synthesis products Iso-synthesis products Fischer-Tropsch Liquids Glycerol Lactic Propionic acid Malonic acid Serine 5-Hydroxymethylfurfural 3-Hydroxypropionate Succinic acid Fumaric acid Malic acid Aspartic acid 3-Hydroxybutyrolactone Acetoin Threonine Itaconic acid Furfural Levulinic acid Glutamic acid Xylonic acid Xylitol/Arabitol Citric/Aconitic acid Lysine Gluconic acid Glucaric acid Secondary Chemicals Ammonia synthesis, hydrogenation products Methyl esters, Formaldehyde, Acetic acid, Dimethylether, Dimethylcarbonate, Methyl amines, MTBE, olefins, gasoline Linear and branched 1º alcohols, and mixed higher alcohols lefin hydroformylation products: aldehydes, alcohols, acids Iso-C4 molecules, isobutene and its derivatives α-olefins, gasoline, waxes, diesel Fermentation products, Propylene glycol, malonic, 1,3-PD, diacids, propyl alcohol, dialdehyde, epoxides Acrylates, L-Propylene glycol, Dioxanes, Polyesters, Lactide Acrylates, Acrylamides, Esters, 1,3-Propanediol, Malonic acid and others Reagent, propionol, acrylate Pharma. Intermediates 2-amino-1,3-PD, 2-aminomalonic, (amino-3hp) THF, 1,4-Butanediol, γ-butyrolactone, pyrrolidones, esters, diamines, 4,4-Bionelle, hydroxybutyric acid Unsaturated succinate derivatives (see above) Hydroxy succinate derivatives (above), hydroxybutyrolactone Amino succinate derivatives (see above) Hydroxybutyrates, epoxy-γ-butyrolactone, butenoic acid Butanediols, butenols Diols, ketone derivatives, indeterminant Methyl succinate derivatives (see above), unsaturated esters Many furan derivatives δ-aminolevulinate, 2-Methyl THF, 1,4-diols, esters, succinate Amino diols, glutaric acid,substituted pyrrolidones Lactones, esters EG, PG, glycerol, lactate, hydroxy furans, sugar acids 1,5-pentanediol, itaconic derivatives, pyrrolidones, esters Numerous furan derivatives, succinate, esters, levulinic acid Caprolactam, diamino alcohols, 1,5-diaminopentane Intermediates Fuel oxygenates Reagents-building unit Antifreeze and deicers Solvents Green solvents Specialty chemical intermediate Emulsifiers Chelating agents Amines Plasticizers Polyvinyl acetate ph control agents Resins, crosslinkers Polyvinyl alcohol Polyacrylates Polyacrylamides Polyethers Polypyrrolidones Phthalate polyesters PEIT polymer Polyhydroxypolyesters Nylons (polyamides) Polyhydroxypolyamides Bisphenol A replacement Polycarbonates Polyurethanes Products/Uses Industrial Corrosion inhibitors, dust control, boiler water treatment, gas purification, emission abatement, specialty lubricants, hoses, seals Transportation Fuels, oxygenates, anti-freeze, wiper fluids molded plastics, car seats, belts hoses, bumpers, corrosion inhibitors Textiles Carpets, Fibers, fabrics, fabric coatings, foam cushions, upholstery, drapes, lycra, spandex Safe Food Supply Food packaging, preservatives, fertilizers, pesticides, beverage bottles, appliances, beverage can coatings, vitamins Environment Water chemicals, flocculants, chelators, cleaners and detergents Communication Molded plastics, computer casings, optical fiber coatings, liquid crystal displays, pens, pencils, inks, dyes, paper products Housing Paints, resins, siding, insulation, cements, coatings, varnishes, flame retardents, adhesives, carpeting Recreation Footgear, protective equipment, camera and film, bicycle parts & tires, wet suits, tapes-cd s-dvd s, golf equipment, camping gear, boats Protein Ar Sorbitol Direct Polymers & gums Gallic acid Ferulic acid Gluconolactones, esters Dilactones, monolactones, other products Glycols (EG, PG), glycerol, lactate, isosorbide Phenolics, food additives Phenol-formaldehyde resins polyhydroxyalkonoates polysaccharides poyaminoacids Health and Hygiene Plastic eyeglasses, cosmetics, detergents, pharmaceuticals, suntan lotion, medical-dental products, disinfectants, aspirin

97 Die beste Art, die Herausforderungen der Zukunft zu bewältigen, ist, sie aktiv mitzugestalten.

98 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