Das Erdöl steckt nicht nur im Tank von Autos: Es findet sich auch im Kunststoff der Armaturenbretter, im Gummi der Reifen, in Farben und Lacken, Schaumstoffen und Beschichtungen, in Seifen, Klebstoffen und Schmiermitteln. Eine vergleichbare Liste könnte man für den Arbeitsplatz aufstellen, für die Wohnung, für Medikamente und Kosmetika – schlicht für (fast) alles. Die meisten dieser Produkte, ohne die große Teile unseres Alltags nicht denkbar wären, gehen auf eine kleine Sammlung von petrochemischen Ausgangsstoffen zurück, die in gigantischen Mengen in tausende unterschiedliche Verwertungsketten fließen.

Jahr der Chemie2011
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Die große Masse dieser Grundchemikalien stammt aus fossilen Rohstoffen. Ob alltägliche Kunststoffe oder modernste Medikamente – all ihre Moleküle haben ein Gerüst aus Kohlenstoff, das aus einfachen Kohlenwasserstoffen zusammengesetzt wird: Ethen, Propen und Butadien, Paraffine, einfache Aromate wie Toluol und einige Alkohole und Ketone, die in Raffinerien aus Erdöl gewonnen werden.

Doch was passiert, wenn es nicht mehr genug Öl gibt, wenn der Rohstoff immer teurer wird, weil man immer tiefer nach ihm bohren muss? Oder wenn es ihn zukünftig überhaupt nicht mehr gibt? Eine Alternative stünde bereits: Biomasse. Auch daraus lassen sich große Mengen kohlenstoffhaltiger Chemikalien gewinnen, auf denen vielseitige Verwertungsketten aufbauen können. Der Plan ist, Biomasse so aufzuarbeiten, dass sie die etablierten Stoffströme der chemischen Industrie mit den Stoffen befüttert, die heute aus Erdöl kommen. Doch die Hürden liegen höher, denn Biomasse enthält einen großen Anteil Sauerstoff. Und: Sie ist nicht flüssig.

Raffinerie Schwechat bei Wien
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In einer Ölraffinerie wird das Rohprodukt durch eine Serie von Kolonnen und Reaktoren geleitet, in denen die Kohlenwasserstoffe in einem nahezu kontinuierlichen Prozess getrennt, gereinigt und zu Produkten veredelt werden. Derartige Anlagen sind Vorbilder der geplanten Bioraffinerien, in denen chemische Produkte aus Pflanzenmaterial gewonnen werden.
Rohöl wird in einer Raffinerie zuerst einmal destilliert und so grob in verschiedene Fraktionen aufgetrennt – anschließend strömen die verschiedenen Fraktionen durch Aneinanderreihungen von Reaktoren und Destillationstürmen, bis sie am Ende chemisch veredelt quasi am Hinterende in Form unzähliger Produkte wieder hinaustreten. Es ist dieser optimierte Verbund, der Grundchemikalien massenhaft zu vergleichsweise geringen Preisen ermöglicht. Es geht also nicht nur um einzelne Reaktionen, die entwickelt werden müssen, sondern um einen kontinuierlichen Raffinerieprozess im Millionen-Tonnen-Maßstab. Die Petrochemie ist der Standard, an dem sich jede Biomasseverwertung messen muss.

Alte Ideen neu aufpoliert

Die Idee, Chemikalien aus Biomasse zu produzieren, ist hingegen keineswegs neu – im Gegenteil: In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts stammte eine ganze Reihe von Stoffen wie Azeton aus der Fermentation, doch als Erdöl billiger wurde als Zuckersirup, verschwanden diese Verfahren wieder vom Markt. In den letzten 30 Jahren haben Chemiker nun jedoch eine ganze Reihe weiterer Alternativen zu den petrochemischen Grundchemikalien entwickelt. Heute schon liefert Biomasse organische Säuren, Schmiermittel, Klebstoffe und Polymere in der Größenordnung von ungefähr zehn Millionen Tonnen pro Jahr, was in etwa der Menge des jährlich weltweit produzierten Butadiens und weniger als einem Zehntel der Produktion an Ethen entspricht.

Der einfachste Weg, Biomasse für derartige Prozesse aufzubereiten, besteht darin, das Material (oder andere kohlenstoffreiche Materialien wie Braunkohle) durch hohe Temperaturen und unter Umständen einen Katalysator in seine Einzelteile zu zerlegen. Dabei entsteht neben kleinen Mengen Asche und Ruß Synthesegas – ein Gemisch aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasser sowie geringen Anteilen komplexerer Verbindungen wie aromatische Kohlenwasserstoffe. Nachdem Kohlendioxid und Wasser abgetrennt wurden, erhält man ein Gasgemisch, das sich bereits als Brennstoff eignet. Diese Reaktion ist schon sehr lange bekannt – Synthesegas beleuchtete Großstädte und trieb Autos an, bevor die fossilen Brennstoffe die Führungsrolle einnahmen.

Allerdings kann man aus Synthesegas auch gezielt hochwertige Chemikalien herstellen. Dazu bedient man sich der Fischer-Tropsch-Reaktion, bei der das Synthesegas unter erhöhtem Druck an einem Katalysator auf Eisen- oder Kobaltbasis überwiegend zu Kohlenwasserstoffen reagiert. Unter besonderen Bedingungen erzeugt die Reaktion zudem Alkohole und Ketone, die als Bausteine chemischer Reaktionen große Bedeutung haben. Derzeit werden mit der Fischer-Tropsch-Synthese vor allem kurzkettige Kohlenwasserstoffe für flüssige Kraftstoffe hergestellt, unter anderem vom südafrikanischen Unternehmen Sasol.

Chemieprodukte aus Biomasse
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Schon heute existieren Verfahren, um eine große Bandbreite von Chemieprodukten aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen. Derartige Prozessketten könnten Grundlage von Bioraffinerien nach dem Vorbild der Petrochemie sein.

Abbildung adaptiert nach Pike et al.: White Paper on Integrating Biomass Feedstocks into Chemical Production Complexes using New and Existing Processes. Louisiana State University 2008.
Die gesamte Pflanze auf diese Weise aufzuschließen, ist allerdings im Grunde Verschwendung: Biomasse enthält eine ganze Reihe komplexer und energiereicher Verbindungen, die über den enthaltenen Kohlenstoff hinaus wertvoll sind. Aus den komplexen Biomaterialien kann man mit chemischen oder biotechnischen Methoden viele unterschiedliche Chemikalien herstellen, die sich zum Teil in bestehende Verwertungsketten einfügen. Fette und Öle ergeben nach diesem Bild langkettige Paraffine oder durch so genanntes Cracken andere Kohlenwasserstoffe, durch Oxidation lassen sich Polyole erzeugen, aus denen man mit Isozyanaten Polyurethane herstellt.

Konkurrenz von Chemie und Nahrungsmittelproduktion

Die wichtigste aus Fetten und Ölen hergestellte Chemikalie ist allerdings derzeit noch Biodiesel. Das dabei anfallende Glyzerin kann als Ersatzstoff oder Vorläufer der Grundchemikalie Propen theoretisch in schon heute bestehende Stoffkreisläufe eingeführt werden, unter anderem in Form von Epichlorhydrin, einem Grundstoff für vielseitig verwendbare Kunstharze.

Die größte Bedeutung der aus Biomasse erzeugten Chemikalien hat heute jedoch Ethanol, das derzeit meistens als "Bioethanol" im Ottomotor verbrannt wird. Er entsteht, indem man Stärke oder Glukose aus energiereichen Pflanzenteilen direkt mikrobiell vergärt. Neben diesem fermentativen Verfahren gibt es Bemühungen, gentechnisch veränderte Pflanzen auf die Produktion wertvoller Stoffe zu drillen, doch sofern es Grundchemikalien betrifft, kranken sie ebenso wie heutiger Bioethanol an einem entscheidenden Nachteil: Man müsste sie landwirtschaftlich erzeugen – und zwar auf dem gleichen Grund und Boden, auf dem man heute Lebensmittel anbaut. Die Folgen sieht man schon heute am Bioethanol: Die Treibstoffproduktion verdrängt die Nahrungsmittel, und die Preise für Lebensmittel steigen – als Grundlage der zukünftigen chemischen Industrie verbieten sie sich daher.

Es gibt jedoch eine andere, reich verfügbare Quelle für Glukose: die Zellulose. Sie ist besser als Rohstoff geeignet, weil ihre Nutzung nicht in direkter Konkurrenz zur menschlichen Ernährung steht. Auch die Zellulose besteht aus einzelnen Zuckereinheiten, die jedoch anders verknüpft sind. Zellulose ist ein Stützmaterial, das in allen Pflanzenteilen auftritt – sie macht bis zur Hälfte der Pflanzenmasse aus, so dass man Zellulose aus landwirtschaftlichen Abfällen, Holzschnitt und anderen Reststoffen gewinnen kann.

Lignin, der Stoff der Zukunft

Allerdings ist die Zellulose eng mit zwei weiteren Stoffgruppen verbunden, die ihre Verwertung erschweren: Lignin und Hemizellulose. Alle drei Stoffe bilden das komplexe Verbundmaterial Lignozellulose, aus dem man heute die Zellulose mühsam und mit beträchtlichem Aufwand abtrennen muss. Mühsam deswegen, weil das widerstandsfähige Lignin, ein Polymer aus phenolischen Grundkörpern, fest an die Kohlenhydrate gebunden ist und sie vor Mikroorganismen und anderen zersetzenden Einflüssen schützt. Man trennt das Lignin ab, indem man die pflanzliche Biomasse mit Heißwasser, einem Wasser/Ethanol-Gemisch ("Organosolv") oder anderen Chemikalien behandelt; allerdings sind die meisten dieser Verfahren wenig effektiv, verbesserte Methoden befinden sich in der Erprobungsphase oder werden noch erforscht.

Lignin
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 Bild vergrößernAusschnitt aus der Struktur von Lignin
Lignin ist aber nicht nur ein Problem, sondern auch eine Chance – das Polymer hat großes Potenzial als Quelle von aromatischen Grundchemikalien. Heute schon pyrolysiert man das Lignin und verwendet das entstehende Produktgemisch als minderwertigen Rohstoff für Phenolharze. Um aus Lignin definierte kommerzielle Chemikalien zu gewinnen, fehlen derzeit noch geeignete Trenn- und Reinigungsverfahren und Möglichkeiten, die Rohchemikalien zu kommerziellen Produkten zu veredeln. Verfahren, die Bindungen zwischen den Phenolkörpern mit Hilfe spezieller Katalysatoren spezifisch zu lösen und so ein definiertes Produktgemisch zu erhalten, haben bis zur Anwendungsreife jedoch noch einen langen Weg zurückzulegen.

Die aus der Zellulose gewonnene Glukose wird von einer Reihe Mikroorganismen fermentiert, die so Ethanol, organische Säuren und andere einfache Substanzen herstellen. Hemizellulose besteht ebenfalls aus Zuckern, allerdings aus solchen mit fünf Kohlenstoffatomen statt sechs. Deswegen wird sie von anderen Organismen vergärt und bringt andere Produkte hervor, das Prinzip jedoch ist das gleiche: Aus energiereichen Zuckern machen dienstbare Bakterien wertvolle Produkte.

Neue Produktionskreisläufe nötig

Die Ausbeute und Wirtschaftlichkeit solcher Verfahren hängt von der eingesetzten Biomasse ab, von ihrem Preis und der Effektivität, mit der sie in Produkte umgewandelt wird – und natürlich von der Konkurrenz, dem Ölpreis. Heute schon nahezu konkurrenzfähig sind Kraftstoffe aus Pflanzen mit einem hohen Anteil an einfach aufzuschließenden Zuckern wie Mais oder Zuckerrohr. In Brasilien, wo Ethanol aus Zuckerrohr in großen Mengen zur Verfügung steht, produzieren bereits Unternehmen den Kunststoff Polyethylen aus Alkohol, ohne Rückgriff auf fossile Rohstoffe.

Wegen der Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion aber werden die Grundchemikalien der Zukunft aus anderen Quellen stammen müssen: aus Abfällen und Holz. Nur diese Stoffe stehen in der nötigen Menge zur Verfügung, nur von Lignin, Zellulose und Hemizellulose, die den Großteil der Pflanzenmasse ausmachen, können die Stoffströme der Zukunft ausgehen.

Doch noch existieren die dafür nötigen Verfahren und Wertschöpfungsketten nur zum Teil, und wenn die Biomasse das Erdöl einmal als Basis der weltweiten chemischen Industrie ablösen soll, dann muss auch die Infrastruktur dem Vorbild der Petrochemie folgen. Das Fernziel ist die Bioraffinerie – ein Verbund nach dem Vorbild der Ölraffinerie, in das Material hineinwandert, aufgeschlossen, getrennt und umgesetzt wird und in Form veredelter Produkte die Anlage wieder verlässt. Eine Pilotanlage soll schon Ende 2011 in Leuna in Betrieb gehen. Es wäre eine ganz andere Chemie, die dann an der Basis aller Produktionsketten stünde – aber es ist die einzige, die auch nach dem Ende der fossilen Ära noch funktioniert.