Biobasierte Polymere

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1 Biobasierte Polymere Technische und ökonomische Herausforderungen Deutscher Bioraffinerie-Kongress 2007 Dr. Dietrich Scherzer Polymerforschung BASF Aktiengesellschaft, Ludwigshafen

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Rohglycerin als Rohstoffbasis für Fermentationen 3. Kommerzialisierung von Poly-3-hydroxybutyrat (PHB) Eigenschaftsprofil Technische & ökonomische Herausforderungen 4. Schlussfolgerungen 2

3 Polymere aus nachwachsenden Rohstoffen Systematik Polymere aus nachwachsenden Rohstoffen pflanzlichen Ursprungs Stärke, Stärkederivate Cellulose, Cellulosederivate durch Mikroorganismen Polymilchsäure (PLA) Polyhydroxyalkanoate (PHB, PHA) tierischen Ursprungs Chitin, Chitosan Proteine, z.b. Casein, Gelatine Lignin 3

4 Polymere aus nachwachsenden Rohstoffen Systematik Polymere aus nachwachsenden Rohstoffen pflanzlichen Ursprungs Stärke, Stärkederivate Cellulose, Cellulosederivate durch Mikroorganismen Polymilchsäure (PLA) Polyhydroxyalkanoate (PHB, PHA) tierischen Ursprungs Chitin, Chitosan Proteine, z.b. Casein, Gelatine Lignin thermoplastische Verarbeitung 4

5 BIOPRO / BIOFUN Projektpartner Quelle: 5

6 BASF Investitionen in Biotechnologie Zusätzliche Forschungsmittel im Rahmen von Wachstumsclustern Energiemanagement Pflanzenbiotechnologie Rohstoffwandel ca. 850 Mio. Weiße Biotechnologie Nanotechnologie 6

7 Biodieselkapazitäten Deutschland weltweit führend Kapazitäten in Deutschland (in 1000t) Rohglycerin Biodiesel * Verfahrenstypen (in 2004) KOH- Verfahren 56% NaOH- Verfahren 44% Quelle: Verband der deutschen Biokraftstoffindustrie e.v.; * Prognose 2007 (Meldung Reuters); FNR-Projekt BIOPRO 7

8 Biodiesel Zwei Verfahren im Vergleich EOP Falkenhagen RME-Verfahren Rapsöl nach der Heißpressung ADM Hamburg CD-Prozess vorgereinigtes raffiniertes Rapsöl Umesterung mit 0,5 1,0% KOH Umesterung mit 0,5 1,0% NaOH ca. 10 % Biodiesel ca. 10 % 85%ig Glycerin 80% Glycerin ca. 9% Wasser ca. 2,2% K 2 SO 4 0,161meq/g unges. A. ph-wert 4-5 ca. 11% Wasser ca. 5,6% NaCl 0,029meq/g unges. A. ph-wert 5-6 FNR-Projekt BIOPRO 8

9 Analysendaten von Rohglycerin-Mustern Analyseergebnisse BASF Schwarzheide NaOH - Verfahren ADM Hamburg NEW Marl BIO-Diesel Wittenberge Biopetrol Schwarh. KOH - Verfahren KVG Schleswig Campa Ochsenfurt EOP Falkenhagen Glycerin % ph-w ert 5,9 6,4 6,8 11,6 10,4 6,0 4,1 Na-Geh. % 2,23 1,92 1, Cl-Geh. % 3,29 3,06 3, K-Geh. % ,22 2,70 0,45 0,64 Sulfat-Geh.% ,02 0,06 1,11 1,63 FNR-Projekt BIOPRO 9

10 Fermentationsausbeuten Ralstonia Eutropha (Laborfermenter) Rohglycerin NaOH- Verfahren Rohglycerin KOH- Verfahren Reines Glycerin (p.a.) NaCl 5,5 % K 2 SO ,8 % --- PHB-Gehalt (nach 48 Std.) ca. 50 % ca. 60 % ca. 65 % Bei zu hohem Salzgehalt im Rohglycerin geringe PHB-Ausbeuten FNR-Projekt BIOPRO 10

11 Poly-3-hydroxyalkanoate (PHA s): Synthese durch Fermentation PHA s können in verschiedenen Bakterien synthetisiert werden und bis zu 90% der Biotrockenmasse ausmachen Sie werden als Partikel (Granula) akkumuliert und müssen von der Biomasse abgetrennt werden * O R O C Poly-3-hydroxyalkanoat (PHA) n * Glucose Saccharose Glycerin Palmöl 1 µm Quelle: Zentrum für Elektronenmikroskopie & AG Angewandte Physiologie, TU Graz 11

12 Poly-3-hydroxybutyrat (PHB) Eigenschaften Glucose Saccharose Glycerin Palmöl Bakterien Fermentation CH 3 O * C O n Poly-3-hydroxybutyrat (PHB) * Eigenschaften: Teilkristalliner, thermoplastischer Polyester natürlichen Ursprungs Bioabbaubar, aber hydrolysestabil während dem Gebrauch Schmelztemperatur: ca. 180 C Passt in existierende Prozesse und Produktlinien Breite Variation der Eigenschaften möglich durch Copolymere und Blends, bevorzugt Ecoflex 12

13 Variation der Eigenschaften: Copolymere oder Blends Beispiele Copolymere: O * CH 3 CH 3 O H 2 C O * O m O n P(3HB-co-3HV) Poly-(3-hydroxybutyrat)-co-(3-hydroxyvalerat) CH 3 O * O m P(3HB-co-4HB) O n * Poly-(3-hydroxybutyrat)-co-(4-hydroxybutyrat) O Ecoflex : * O O O * n m O p O Copolyester aus Adipin- und Terephthalsäure mit Butandiol O 13

14 PHB/ Ecoflex -Blends sind in vielen Eigenschaften vergleichbar mit Polypropylen Dichte 1.25 Sauerstoffbarriere E-Modulus (Steifigkeit) PHB/Ecoflex-Blends PHB-Copolymere Polypropylen UV Stabilität Bruchdehnung Temperaturbeständigkeit 14

15 Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen Schüsseln aus PHB/Ecoflex - Blends 15

16 Einordnung von PHA s in das bestehende Thermoplast-Portfolio Temperaturbeständigkeit [ C] 150 Hochleistungspolymere Technische Thermoplaste 100 Polyolefine PHB-compounds PHB-Compounds stehen im Wettbewerb mit Polyolefinen 1,0 2, Verkaufspreis [ /kg] 16

17 PHB: Einfluss der Rohstoffkosten Zucker als Einsatzstoff Zucker PHB 1998 ca. 3 kg (ca Euro in 2006) Zucker US$ cent/lb kg Großer Einfluss auf PHB Herstellkosten Starke Schwankungen des Zuckerpreises in 2006 wegen hoher Nachfrage nach Bioethanol Risiko höherer Zuckerpreise bei steigendem Ölpreis Ziel: Entkopplung der Rohstoffkosten vom Ölpreis! 17

18 PHB: Einfluss der Rohstoffkosten Rohglycerin als Einsatzstoff Rohglycerin PHB ca. 3 kg (ca. 0.3 Euro) 1 kg Bisher noch keine Marktpreise für Rohglycerin Kosten im Bereich des Brennwertes: 0,1 /kg 18

19 Schlussfolgerungen Im Rahmen von BIOPRO wurde gezeigt, dass sich Rohglycerin aus der Biodieselproduktion zur Herstellung von PHA s eignet Für einen kommerziellen Erfolg muss jedoch vor allem die Aufarbeitung noch erheblich vereinfacht werden PHA s stehen im Wettbewerb mit großvolumigen Standardkunststoffen wie PE und PP (Chance und Risiko) Im Rahmen des Wachstumsclusters Weiße Biotechnologie forscht BASF intensiv an Verbesserungen des Herstellprozesses und der Produkte 19

20 Backup 20

21 Wachstumscluster bei BASF Biologie Chemie Physik Rohstoffwandel Pflanzenbiotechnologie Weiße Biotechnologie Geschäftsmodell Produktinnovation Prozessinnovation Energiemanagement Nanotechnologie 21

22 Reichweite fossiler Rohstoffe Basis 2004 Öl konventionell nicht konventionell Gas konventionell nicht konventionell Steinkohle Braunkohle vorhanden zukünftig Uran Quelle: Bundesamt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) Nachgewiesene Reserven: Zugänglich mit existierenden Technologien und derzeitigen Preisen Zukünftige Reserven: Zugänglich mit neuen Technologien Reichweite Jahre 22

23 Polymere aus nachwachsenden Rohstoffen Systematik Polymere aus nachwachsenden Rohstoffen pflanzlichen Ursprungs Stärke, Stärkederivate Cellulose, Cellulosederivate durch Mikroorganismen Polymilchsäure (PLA) Polyhydroxyalkanoate (PHB, PHA) tierischen Ursprungs Chitin, Chitosan Proteine, z.b. Casein, Gelatine Lignin thermoplastische Verarbeitung 23

24 Nachwachsende Rohstoffe in der BASF Rohstoff Rohzucker, Molasse, Bioethanol Produkte aus Pflanzenölen (z.b. Glycerin, Fettsäuren) Pflanzenöle, Fette und Wachse (z.b. Acrawax, Montan Wachs) Stärke und Stärkederivate, Polymilchsäure (Stärke) Cellulose Derivate BASF Produkt Lysin, Vitamin C, Acrylate, Amine, Polyurethane (Polyole) Zwischenprodukte, Polyurethane (Polyole), Waschrohstoffe Vitamin B 2, Rohstoffe für Farben und Lacke, Verarbeitungshilfsmittel, Weichmacher Dispersionen z.b. für Papier Industrie, Ecovio Kosmetikprodukte Voraussetzung: Technisch machbar, wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll 24

25 Energieverbrauch eines modernen Kraftfahrzeugs Fahrstrecke km Betrieb des Fahrzeugs 87,8% Entsorgung 0,2% Herstellung Fahrzeug 6% Herstellung Materialien 6% Der Betrieb eines Fahrzeugs verbraucht am meisten Energie Der Anteil des Treibstoffs beträgt 84,8% => hauptsächlich Gewichtsabhängig! Source: Fa. Audi 25

26 Verbrauch fossiler Energie (in MJ) Vergleich: Einbau eines Teiles aus PLA (1,25 kg/l) und PP (0,9 kg/l) Annahmen: Teilevolumen 1 Liter; Fahrstrecke km; 100 kg Mehrgewicht verursacht 0.4 L/100km Mehrverbrauch Benzin Netto Energie PP MJ Herstellung (Granulat) Fahrdauer Entsorgung (MWI) PLA MJ MJ Energie wird bei der Benutzung verbraucht! 26

27 Fossile Energie (MJ/kg) verschiedener Kunsstoffe bis zur Granulatherstellung Vink et al

28 Fossile Energie (MJ/kg) verschiedener Kunsstoffe bis zur Granulatherstellung Vink et al