Bioökonomie: Was nachwachsende Rohstoffe alles ersetzen können

Der Einsatz nachwachsender Rohstoffe in der kohlenstoffbasierten Chemie ist nicht neu. Eine Vielzahl von Industrieprodukten werden bereits heute daraus hergestellt. Die wichtigsten chemischen Stoffklassen, die in großen Mengen aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt und in der Polymerchemie eingesetzt werden können, sind Cellulose, Fette und Öle, Lignin, Zucker und Terpene. Im Folgenden geben wir einen allgemeinen Überblick zur Bioökonomie und gehen auf die genannten Stoffgruppen näher ein. 

 

Was sind nachwachsende Rohstoffe?

Als nachwachsende Rohstoffe, kurz NawaRo, werden organische Rohstoffe aus Landwirtschaft, Forstwirtschaft, Aquakultur oder mikrobieller Produktion bezeichnet, die sich im Gegensatz zu fossilen Rohstoffen in überschaubaren Zeiträumen erneuern. Sie finden im Non-Food Verwendung und stammen aus gezieltem Anbau oder stehen als Rest- bzw. Abfallstoffe zur Verfügung.
 
Neben dem Begriff der nachwachsenden Rohstoffe (engl. renewables) gibt es auch noch den Begriff der Biomasse (engl. biomass), welcher oftmals synonym verwendet wird. Um auch hier die Verwendung als Nahrungs- und Futtermittel auszuschließen, spricht man in diesem Zusammenhang von industrieller Biomasse (engl. industrial biomass).
 
Nachwachsende Rohstoffe umfassen alle lebenden Organismen und können daher sowohl pflanzlichen als auch tierischen Ursprungs sein. In Schlachthäusern fallen beispielsweise größere Mengen an Rindertalg an, die für die Lebensmittelerzeugung weniger geeignet sind, aber zur Herstellung von Seifen genutzt werden können. 

 

Warum gewinnen nachwachsende Rohstoffe an Bedeutung?

Österreich hat im internationalen Vergleich einen hohen Verbrauch an Rohstoffen. Der inländische Materialverbrauch (Biomasse, metallische Erze, nichtmetallische Minerale, fossile Energieträger) liegt laut nationaler Daten bei rund 19t/Kopf und ist damit deutlich höher als der Durchschnitt der EU-28 mit rund 14t/Kopf.
 
Im Sinne der österreichischen Bioökonomiestrategie und der Umsetzung der Agenda 2030 und ihrer globalen Nachhaltigkeitsziele (Sustainable Development Goals, kurz SDGs) sind eine Senkung dieses Pro-Kopf-Konsums und eine stärkere Fokussierung auf nachwachsende Rohstoffe notwendig. 

Da die chemische Industrie in Zukunft vermehrt Bausteine für organische Synthesen aus nachwachsenden Rohstoffen gewinnen wird, dürfte sich deren Anteil künftig deutlich erhöhen.
 

Abbildung 1: Materialverbrauch in Österreich pro Kopf in Tonnen, entnommen aus 1

 

Welche Arten nachwachsender Rohstoffe gibt es?

Die Palette an nachwachsenden Rohstoffen, die industriell genutzt werden können, ist sehr umfassend. Grundsätzlich werden Rohstoffe nach primären und sekundären Inhaltsstoffen unterschieden. 
 

1. Primäre Inhaltsstoffe nachwachsender Rohstoffe

Bei den primären Inhaltsstoffen handelt es sich um Substanzen, die in der Natur in hohen Mengen vorkommen. Sie sorgen für Aufbau und Stabilität der Pflanzen und Tiere, dienen aber auch als Energiereserven. So legt zum Beispiel die Zuckerrübe in ihrer Wurzel Zuckerreserven an, die sie für ihre Vermehrung benötigt. Einige typische Rohstoffe dieser Kategorie sind in untenstehender Tabelle angeführt. 

 
Abbildung 2: Primäre Inhaltsstoffe nachwachsender Rohstoffe, adaptiert aus ²
 

2. Sekundäre Inhaltsstoffe nachwachsender Rohstoffe

Neben den primären sind in nachwachsenden Rohstoffen noch die sekundären Inhaltsstoffe enthalten, die allerdings in wesentlich geringeren Mengen vorhanden sind. In diese Kategorie fallen z.B. Riech- und Farbstoffe, die Pflanzen dazu dienen, Fressfeinde abzuhalten oder Insekten zur Bestäubung anzulocken. Weitere typische Beispiele zeigt untenstehende Tabelle.
 

Abbildung 3: Sekundäre Inhaltsstoffe nachwachsender Rohstoffe, adaptiert aus ²
 
 

Biobasierte Industrie heißt kaskadische Nutzung

Die Nutzungsmöglichkeiten nachwachsender Rohstoffe sind sehr breit gefächert. Sie kommen als Rohstoff in der Industrie oder als Energieträger in den unterschiedlichsten Bereichen zum Einsatz:
 

1. Stoffliche Nutzung: Rohstoff für chemische Grundstoffe, Kunststoffe oder andere biobasierte Produkte wie Dämmstoffe, Schmierstoffe, Papier und Pappe, Medikamente, Kosmetika, Farbstoffe, Textilfasern und vieles mehr.
2. Energetische Verwertung: Rohstoff zur Erzeugung von Wärme, Strom und/oder Kraftstoffen (Biokraftstoffe, Biogas, Biomasse).

 
Ziel der biobasierten Industrie ist die stoffliche und energetische Nutzung innerhalb einer „Nutzungskaskade“. Das bedeutet, alle Komponenten des Rohstoffes in mehreren Zyklen bestmöglich auszunutzen und erst am Ende ihrer (mehrmaligen) Nutzung der energetischen Verwertung zuzuführen.
 
Das Lösungswort bei der biobasierten Industrie heißt kaskadische Nutzung. Angesichts der beschränkten Verfügbarkeit von Biomasse ist eine mehrfache Nutzung der Ressourcen unumgänglich.
Hubert Culik, Obmann des Fachverbandes der Chemischen Industrie (FCIO)
 
Das bei der Verbrennung entstehende CO2 kann anschließend von Pflanzen durch die Photosynthese der Kohlenhydrate aus Kohlendioxid und Wasser unter Freisetzung von Sauerstoff zu neuer Biomasse synthetisiert werden. Es ist daher sinnvoll, Biomasse kaskadisch, also erst stofflich und anschließend energetisch zu nutzen, sofern dies wirtschaftlich sinnvoll ist:
 

1. Stoffliche Nutzung: Die nachwachsenden Rohstoffe gelangen zunächst über verschiedene Be- und Verarbeitungsprozesse in die stoffliche Nutzung. Am Ende ihrer Nutzungsdauer können Produkte für die gleiche stoffliche Nutzung wiederverwendet oder durch Aufbereitung in den Kreislauf recycliert werden.
2. Sekundäre stoffliche Nutzung: Erreicht ein Produkt das Ende seiner Lebensdauer, kann es mitunter als Ausgangsbasis für eine sekundäre stoffliche Nutzung dienen. Je öfter ein Rohstoff recycelt wird, umso höher ist in der Regel die generierte Wertschöpfung.
3. Energetische Nutzung: Da bei jeder Umwandlung Verluste entstehen, ist die  Rezyklierbarkeit von nachwachsenden Rohstoffen eingeschränkt. Wenn daher eine weitere Verwendung ökonomisch oder ökologisch keinen Vorteil mehr bringt, steht am Ende dieser Nutzungskaskaden die thermische Verwertung des biogenen Materials.

 
Abbildung 4: Kaskadische Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen, adaptiert nach ³
 

Die Natur als chemische Fabrik

Nachwachsende Rohstoffe beinhalten aus biotechnologischer Sicht eine Synthesevorleistung der Natur, die je nach Rohstoff auf unterschiedliche Weise genutzt werden kann. So können Inhaltsstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen entweder direkt genutzt werden oder sie müssen mithilfe verschiedener Verfahren in geeignete Rohstoffe, sogenannte Plattformchemikalien, umgewandelt werden. 

Bei Plattformchemikalien handelt es sich um chemische Grundstoffe, die zur Herstellung von anderen Basischemikalien benötigt werden. Über nachfolgende chemische Prozesse entstehen dann eine Vielzahl von Industrieprodukten wie Kunststoffe, Farbstoffe, Arzneimittel oder Lackrohstoffe. 

Generell gilt für die Aufbereitung und Konversion nachwachsender Rohstoffe untenstehendes Basisschema:
 
 
Abbildung 5: Aufbereitung und Konversion nachwachsender Rohstoffe, adaptiert nach ³

Die nachwachsenden Rohstoffe werden zunächst mechanisch in Mühlen zerkleinert und/oder durch Aufschlussverfahren oder Extraktionen in der gewünschten Reinheit isoliert. Anschließend können sie dann auf verschiedene Weise genutzt werden: 

• Direkte Nutzung: Die Rohstoffe werden nur aufbereitet und gereinigt, um dann direkt als Synthesebausteine genutzt zu werden (wie z. B. Saccharose aus der Zuckerrübe).
• Chemische Transformation: Die Rohstoffe werden chemisch in den gewünschten Synthesebaustein umgesetzt (wie z.B. hydrolytische Reaktionen zur Spaltung von Stärke in kleinere Kohlenhydrat-Bruchstücke).
• Biotechnologische Transformation: Die Rohstoffe werden biotechnologisch in den gewünschten Synthesebaustein konvertiert (wie z.B. die enzymatische Spaltung von Polysacchariden in einzelne Zuckermoleküle). 

Biotechnologische und chemische Verfahren können auch kombiniert angewendet werden.
 

Cellulose: Von Papier bis Bioethanol

Cellulose ist das häufigste und wirtschaftlich bedeutendste Biopolymer in der Natur. Der nachwachsende Rohstoff wird vor allem in der Papier- und Zellstoffindustrie benötigt, findet aber vielfach auch in modifizierter Form als Regenerat und Derivat Anwendung. Darüber hinaus stellen aus Cellulose gewonnene Ligninsulfonate, Bioethanole und Naturfasern wichtige Rohstoffe dar. 
 

1. Cellulose in der Papier- und Zellstoffherstellung

Die wichtigsten Bestandteile von Holz sind Cellulose, Hemicellulosen (Polyosen) und Lignin. In geringeren Mengen finden sich Inhaltsstoffe wie Harze, Wachse und Terpene. Um das Holz für die  Papier- und Zellstoffherstellung aufzubereiten, müssen die Cellulosefasern in einem chemischen Aufschlussprozess von den Hemicellulosen und dem Lignin, der Kittsubstanz des Holzes, getrennt werden. 

In den meisten Zellstofffabriken kommt für den Trennprozess das saure Sulfatverfahren (Kraft-Aufschluss) zur Anwendung. Der Vorteil des Verfahrens liegt in der hohen Reißfestigkeit des hergestellten Zellstoffs und in der Möglichkeit, auch verholzte Pflanzen wie Schilf einsetzen zu können. In der Sulfatlauge (Schwarzlauge) befinden sich als wichtigstes Nebenprodukt Tallölfettsäuren, welche für die gleichen Zwecke verwendet werden, wie Fettsäuren aus anderer Herkunft. 

Für die Herstellung hochwertiger Zellstoffprodukte wird das basische Sulfitverfahren verwendet. Der auf diese Weise hergestellte Zellstoff ist zwar nicht so reißfest, dafür aber für die Herstellung von hochwertigen Papiersorten und Spezialanwendungen besser geeignet. Das wichtigste Nebenprodukt aus dem Sulfitverfahren sind Ligninsulfonate. 

Neben der Gewinnung einzelner Wertprodukte aus Nebenströmen, bieten Lignocellulose-Bioraffinerien die vielversprechendsten Aussichten, um fossile Rohstoffe zu ersetzen. Das Bioraffinerie-Modell der Lenzing Gruppe kann hier als erfolgreiches Beispiel dienen.
  

Abbildung 6: Lenzing Bioraffinerie Prozess, adaptiert nach ⁴
 

2. Celluloseregenerate und Cellulosederivate

Neben der direkten Verwendung von Zellstoff in der Papier- und Zellstoffindustrie dient Cellulose als Chemiezellstoff zur Herstellung von cellulosebasierten Polymerwerkstoffen (Cellulosederivate und -regenerate). Aufgrund ihres natürlichen Ursprungs in Abgrenzung zu petrochemischen Polymeren gewinnen diese zunehmend an wirtschaftlicher Bedeutung: 

• Celluloseregenerate werden vor allem für die Erzeugung verschiedener Fasern wie Viskose oder Folien wie Cellophan genutzt.
• Celluloseether (Derivat) werden unter anderem als Filmbildner, Klebstoffe, Schutzkolloide, Stabilisatoren, Wasch- und Textilhilfsmittel und Verdickungsmittel eingesetzt.
• Celluloseester (Derivat) kommen unter anderem zum Einsatz für die Herstellung von Nitrolacken und Klebstoffen (Cellulosenitrat) oder zur Herstellung von Textilfasern, Folien oder Schaltknöpfen und Leuchten in der Automobilindustrie (Celluloseacetat).

 

3. Lignin und Ligninsulfonate

Großtechnisch wird aus Lignin synthetisches Vanillin erzeugt. Auf diese Weise lassen sich aus einer Tonne Holz etwa drei Kilogramm Vanillin herstellen. Mischungen von Lignin mit anderen Naturfasern wie Flachs oder Hanf werden darüber hinaus zu biologisch abbaubaren Faserverbundwerkstoffen verarbeitet. 

Die bedeutendste stoffliche Nutzung von Lignin beruht jedoch auf der Verwendung von Ligninsulfonaten, die mit Hilfe chemisch-technischer Prozesse aus der Sulfitlauge gewonnen werden. Des Weiteren lassen sich aus den in der Sulfitlauge gelösten Zuckern (Monosaccharide: Hexosen, Pentosen) wertvolle Chemikalien wie Ethanol, Xylit, Futterhefe oder Furfural isolieren. 

Ligninsulfonate kommen als Bindemittel, Dispergatoren, Emulgatoren und Sequestriermittel in einer Vielzahl industrieller Anwendungen zum Einsatz. Neben diesen Hauptanwendungen finden sie als Rohstoff für die Herstellung von Chemikalien Verwendung. 

 
Abbildung 7: Nebenprodukte aus dem Sulfitverfahren, adaptiert nach ⁴

4. Naturfasern

Neben der traditionellen Nutzung von Langfasern (Textilien, Seile, Netze, Bindfaden, Segeltuch) wurden in den vergangenen Jahren neue Anwendungsbereiche für Kurzfasern erschlossen:

• Baustoffe (Putzmaterial, Pressspanplatten, Bedachungsmaterial, Dämmstoffe)
• Naturfaserverstärkte Verbundwerkstoffe (Automobilverkleidung, Kanus, Koffer)
• Formpressteile oder Reibbeläge (für die Autoindustrie)
• Papier (nassfestes Papier, Banknoten, Zigarettenpapier, Filtermaterial)
• Mulchmaterial, Pflanzenanzuchtbecher, Vliese
• Filtermaterialien

Im Vergleich zu Glasfasern und Stein­­wolle eignen sich Naturfasern beispielsweise für Dämmstoffe besser, da sie ein geringeres Gewicht haben und leichter zu verarbeiten und zu entsorgen sind. 
 

5. Zucker

Die Hemicellulosen und Cellulosen können zu Glucose umgewandelt werden, die als Ersatz für konventionelle Glucose als Fermentationsrohstoff nutzbar ist.  
 

6. Bioethanol auf Holzbasis

Ablaugen aus dem Sulfitaufschluss enthalten neben Liginsulfonaten signifikante Mengen an Xylose (Holzzucker), die für die Herstellung von Lignocellulose-Ethanol genutzt werden können. Auch pflanzliche Abfallstoffe wie Stroh eignen sich für dessen Herstellung.

Die weltweit größte Bioethanol-Anlage auf Holzbasis wird seit Anfang 2021 von der Halleiner Zellstofffabrik AustroCel betrieben. In der hauseigenen Bioraffinerie verwertet das Unternehmen sämtliche Bestandteile des Holzes. Aus Holzzucker entsteht Bioethanol der zweiten Generation, der als „fortschrittlicher Biokraftstoff“ Benzin beigemengt werden kann.


Die Halleiner Bioethanol-Anlage ist die weltweit größte Bioethanolanlage auf Holzbasis © AustroCel
 

Stärke: Vielseitig einsetzbar   

Nach Cellulose ist Stärke der bedeutendste nachwachsende Rohstoff. Die industrielle Stärkegewinnung erfolgt überwiegend aus Mais, Weizen, Kartoffeln, Reis und Maniok. Aufgrund ihrer Fähigkeit zu verbinden und zu verdicken, wird Stärke heute zunehmend im Non-Food-Bereich eingesetzt. 

Die Hauptanwendungsbereiche liegen dabei in der Herstellung von Papier und Wellpappen sowie in der Biotechnologie als fermentierbares Substrat zur Herstellung verschiedener Plattformchemikalien. Eine wachsende Bedeutung kommt Stärke als Ausgangsstoff für die Herstellung von Biokunststoffen zu. 

• Papier- und Pappeherstellung: Stärke verbessert die technischen Eigenschaften (z.B. Erhöhung der Papierfestigkeit, Binden und Glätten des Papiers, Verhindern des Verlaufens von Tinte, Kleben von Wellpappe). 
• Biotechnologischer Rohstoff: Stärke dient als Fermentationsgrundstoff für Mikroorganismen, deren Stoffwechselprodukte die eigentlichen Zielprodukte sind (z.B. Vitamine, Aminosäuren, organische Säuren wie Zitronensäure und Essigsäure, Enzyme, Antibiotika, Bioethanol, Biomonomere und -polymere wie Polyhydroxyalkanoate (PHA), Polyhydroxybuttersäure (PHB) oder Polymilchsäure (PLA). 
• Biokunststoffe: Biologisch abbaubare Werkstoffe auf Stärkebasis können aus Kartoffeln, Mais und Weizen produziert werden. Darüber hinaus eignen sich eine Vielzahl weiterer nachwachsender Rohstoffe für die Herstellung von Biokunststoffen.

Weiters kommt Stärke auch als Rohstoff für Baustoffe (Fließbeton, Mörtel), Kleister und Verpackungsmaterialien (aufgeschäumte Stärke) sowie Waschpulver (Zuckertenside, Wäschestärke), Futtermittel, Folien und Kosmetika zum Einsatz. 


Abbildung 8: Nachwachsende Rohstoffe zur Herstellung von Biokunststoffen, adaptiert nach ⁵

Zucker: Süsses Lebensmittel und Plattformchemikalie

Zucker auf Basis nachwachsender Rohstoffe tritt in der Natur auf unterschiedlichste Weise auf –  als Zucker in der Zuckerrübe, Cellulose im Holz oder Stärke in der Kartoffel. 

• Stärkebasierte Zuckerstoffe sind vor allem Glucosesirup, Dextrose und Isoglucose.
• Hemicellulosen und Cellulosen eignen sich zur Herstellung von Glucose, die als Ersatz für konventionelle Glucose als Fermentationsrohstoff nutzbar ist. 
• Zuckerrohr und Zuckerrüben bilden die Rohstoffbasis für Saccharose (Haushaltszucker).

Zucker bildet außerdem den Ausgangspunkt zur Herstellung weiterer Produkte und eignet sich sehr gut für die Synthese von Plattformchemikalien: 

• Bioethanol (Plattformchemikalie, Lebensmittel, Energieträger)
• Milchsäure (Plattformchemikalie, Herstellung u.a. von Biokunststoffen)
• 5-Hydroxymethylfurfural (Plattformchemikalie)
• Bernsteinsäure (Plattformchemikalie, Lebensmittelzusatzstoff)
• Sucralose, Isomaltulose, Invertzucker (Süssstoffe)
• Saccharoseester, Saccharoseether, Glucamide, Alkylpolyglucosiden (Tenside)
• Sorbitol, Mannitol, Xylit (Zuckeralkohole)
• Carbonsäuren wie Gluconsäure und Glucuronsäure (Säurerregulator, Stabilisator, Metallbeizmittel)
• Itaconsäure (u.a. für biologisch abbaubare Polymere in der Verpackungsindustrie, Lacke, Farben) 
• Glutaminsäure (Glutamat)
• Furfural (Lösemittel, Arzneistoff)

Ausgehend von Glucose lassen sich zum Beispiel folgende Synthesebausteine herstellen.


Abbildung 6: Grundchemikalien auf Basis von Glucose, adaptiert nach ³

Öle und Fette: Tenside, Biokunststoffe und Lacke

Pflanzliche Öle und Fette sind chemisch betrachtet Gemische aus Glycerin-Fettsäureestern mit überwiegend langkettigen Carbonsäuren, den sogenannten Fettsäuren. Diese Verbindungen werden auch als Triglyceride bezeichnet. Für die industrielle Nutzung sind Triglyceride mit möglichst hohen Anteilen bestimmter Fettsäuren interessant (z.B.  Raps, Sonnenblume, Öllein, Leindotter, Mohn). 

Fettsäuren und Fettsäurederivate auf Basis nachwachsender Rohstoffe werden vor allem für Tenside zur Herstellung von Wasch- und Reinigungsmitteln benötigt. Laut dem europäischen Branchenverband CESIO haben Tenside mit mindestens einem Baustein aus nachwachsenden Rohstoffen bereits einen relativen Anteil von mehr als 50 Prozent am Gesamt-Tensidmarkt in Europa erreicht. Dieser Anteil wird voraussichtlich weiter steigen. 

Darüber hinaus werden sie in der Pharma-, Kosmetik und Textilindustrie verarbeitet und sind wichtige Rohstoffe für Bioschmierstoffe und -öle, Polymere und Polymeradditive, Lacke und Farben sowie Biokunststoffe (Polyhydroxyfettsäuren: PHB, PHV).
 

Terpene: Duft, Aroma und Lösemittel

Terpene sind der Hauptbestandteil ätherischer Pflanzenöle und gehören damit zu den sekundären Inhaltsstoffen. Bekannte Beispiele sind Menthol, das im Pfefferminzöl vorkommt, oder das Cuminal in Kreuzkümmel und Eukalyptus. Große Mengen an Terpenen sind in Naturkautschuk und in Terpentinölen vorhanden, die sich aus Koniferen (Kiefern) gewinnen lassen. Terpene sind unter anderem als Lösemittel, antimikrobielle Wirkstoffe, Therapeutika, Aromen oder Geruchsstoffe einsetzbar.
 

Donauchem Produktportfolio für nachwachsende Rohstoffe

Die Donauchem nimmt als nachhaltiges Unternehmen laufend neue Produkte auf Basis nachwachsender Rohstoffe in das Produktportfolio auf:

 

Fazit: Nachwachsende Rohstoffe für Grüne Chemie

Biomasse enthält nicht nur Kohlenhydrate wie Cellulose, Hemicellulose, Stärke und Zucker, sondern auch andere Grundprodukte wie Lignin, Terpene und Fette. Diese Rohstoffe können durch Umwandlung in die für die chemische Industrie geeigneten Rohstoffe zur Herstellung nachwachsender Plattformchemikalien genutzt werden. Daran schließen sich dann wieder die Prozesse der chemischen Industrie zur Erzeugung weiterer nachhaltiger Produkte an.

Haben Sie Fragen zu unseren Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen? Wir freuen uns über Ihre Anfrage!


www.donauchem.at

Quellen/weiterführende Links:

[1] SDG Unterziel 12.2. Inländischer Materialverbrauch pro Kopf in Österreich. Statistik.at. Abgerufen 26. September 2022, von https://statistik.at/services/tools/services/indikatorensysteme/sdgs/ziel-12-verantwortungsvolle-konsum-und-produktionsmuster/unterziel-122
 
[2] Behr, A., & Seidensticker, T. (2018). Einführung in die Chemie nachwachsender Rohstoffe: Vorkommen, Konversion, Verwendung. Springer Berlin Heidelberg.
 
[3] Nachwachsende Rohstoffe. Vci.de. Abgerufen 27. September 2022, von https://www.vci.de/fonds/downloads-fonds/unterrichtsmaterialien/nachwachsende-rohstoffe/textheft-inkl-arbeitsblaetter-und-experimente.pdf 

[4] DDI Wolfgang Aichhorn, M. B. A.. Innovative Nutzung von Nebenströmen aus dem Sulfitverfahren. Gigkarasek.com. Abgerufen 28. September 2022, von https://www.gigkarasek.com/de-at/blog/nutzung-nebenstroeme-sulfitverfahren

[5] Biobasierte Materialien – Werkstoffe und Textilien. Biooekonomie.de. Abgerufen 27. September 2022, von https://biooekonomie.de/themen/dossiers/biobasierte-materialien-werkstoffe-und-textilien