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Industrielle Biopolymere – zwischen Kinderschuhen und Sieben-Meilen-Stiefeln

Vom 04. bis 07. Oktober 2010 fand in Stuttgart das Internationale Symposium über Biopolymere, ISBP, statt. Auf Impuls der BIOPRO hin, widmeten die Veranstalter einen Tag den industriellen Anwendungen. Fazit des Industrietages: Die Verfahren reifen, die Produktionskapazitäten wachsen, die Preise für biobasierte Polymere und Basis-Chemikalien werden attraktiver – doch manches muss sich erst noch bewähren.

Für Metabolix läuft zurzeit vieles nach Plan. Anfang Mai hat die Food and Drug Administration (FDA) der USA, die Zulassungsbehörde für Lebens- und Arzneimittel, grünes Licht für zwei Kunststoffe aus dem Hause Metabolix gegeben. Die Polymere mit den Produktcodes F1005 und F1006 dürfen nun auch für Lebensmittelverpackungen eingesetzt werden. Beide werden aus Mirel gefertigt, einem biobasierten und biologisch abbaubaren Kunststoff, den Metabolix aus biotechnologisch produziertem Polyhydroxyalkanoat (PHA) herstellt.

Allein die Qualität rechtfertigt den Preis

Tom Ramseier von Metabolix informierte über den PHA-basierten Kunststoff Mirel. © BIOPRO/Bächtle

Freigaben wie die der FDA sind für das Unternehmen aus Cambridge/Massachusetts von großer Tragweite, denn damit stößt es die Tür zu einem Markt auf, der an Materialien mitunter sehr spezielle Anforderungen stellt. Metabolix kommen die hohen Erwartungen jedoch entgegen. Wie Tom Ramseier, Chef der Mikrobiologie bei Metabolix, berichtete, liegt der Preis für ein Kilogramm Mirel momentan bei rund 5 US-Dollar, also etwa EUR 3,55. Da muss ein Kunststoff schon besondere Eigenschaften aufweisen, andernfalls weckt er im Markt kaum Interesse. Mirel F1005 und F1006 werden an den Gemüsetheken kaum Maiskolben oder Tomaten umhüllen, dazu genügen herkömmliche Frischhaltefolien. Vielmehr sollen sie bei Spezialanwendung punkten. Die Kunststoffe bleiben über ein breites Temperaturspektrum stabil – können also in der Tiefkühltruhe, in kochendem Wasser und in der Mikrowelle eingesetzt werden. Ob der Lebensmittelverpackungsmarkt anbeißt, bleibt abzuwarten. Bei Metabolix ist man jedoch zuversichtlich, dass Mirel auch weit über Lebensmittelverpackungen hinaus Abnehmer findet.

Produktionskapazität ausgebaut

Mittlerweile kann Metabolix seine Produkte in nennenswertem Umfang herstellen. In Iowa, so berichtete Ramseier, läuft seit vergangenem Jahr die erste Großanlage zur Mirel-Produktion. Die Kapazität von Clinton I, so der Name der Anlage: rund 50.000 Tonnen pro Jahr. Angesichts der weltweit produzierten Kunststoffmenge von rund 260 Millionen Tonnen pro Jahr ist das nur ein minimaler Beitrag. Dennoch hofft man bei Metabolix, mit biobasierten und bioabbaubaren PHAs mehr und mehr Marktanteile gewinnen zu können. Eine Million Tonnen Mirel pro Jahr hält Ramseier für realistisch.

Biobasierte Polymere sind jedoch nur ein Teil des Geschäfts, in das Unternehmen wie Metabolix einsteigen wollen. Mindestens ebenso interessant ist der Markt für Basis- und Plattformchemikalien. Kohlenwasserstoffe mit Grundgerüsten aus zwei bis fünf Kohlenstoffatomen sind wichtige Vorstufen in der industriellen Polymerchemie. Biobasierte Rohstoffe könnten eines Tages eine wichtige Ergänzung zum Erdöl sein – oder sogar die einzige Alternative. Ramseier sieht allein bei den so genannten C4-Verbindungen, sie basieren auf vier Kohlenstoffatomen, ein Marktvolumen von 2,5 Milliarden US-Dollar pro Jahr. Bei Spezialanwendungen der C4-Verbindungen geht er von zirka 800 Millionen US-Dollar aus.

Aufschluss, Trennung, Umwandlung

Prof. Thomas Hirth vom Fraunhofer IGB stellte das Bioraffinerie-Konzept vor. © Universität Stuttgart, Inst. für Mikrobiologie

Was Ramseier bereits andeutete führte Prof. Dr. Thomas Hirth, Direktor des Fraunhofer Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik Stuttgart, in seinem Vortrag weiter aus: das Potenzial von nachwachsenden Rohstoffen als Basis für Plattformchemikalien. Um dieses umfassend zu nutzen, müssen jedoch integrierte Ansätze realisiert werden, in denen Biologie, Bioverfahrenstechnik, chemische Verfahrenstechnik und Polymerchemie deutlich enger aneinanderrücken als das bisher der Fall war.

Technologisch realisiert werden soll diese Vision mit Bioraffinerieanlagen. In ihnen soll Biomasse aufgeschlossen, ihre Basismoleküle getrennt und zu industriell verwertbaren Kohlenwasserstoffverbindungen umgewandelt werden. Pflanzliche Biomasse besteht laut Hirth zu 39 Prozent aus Cellulose, zu 30 Prozent aus Lignin und zu rund 26 Prozent aus anderen Kohlehydraten. Die übrigen fünf Prozent verteilen sich auf andere Pflanzenmaterialien. Die Biomassekomponenten liegen in Pflanzen nicht fein säuberlich getrennt vor. Sie bilden in Form von Lignocellulose und Hemicellulose hochkomplexe, vernetzte, stabile und stofflich sehr heterogene Riesenmoleküle. Diese unterschiedlichen Kohlenwasserstoffe werden in Bioraffinerien zunächst aufgeschlossen, also für nachfolgende technische Prozesse zugänglich gemacht. Für diese so genannte Konversion der Biomasse gibt es laut Hirth drei Möglichkeiten: biotechnologisch, chemisch oder thermochemisch. In genau dieser Reihenfolge steigt auch die Prozesstemperatur und somit der Energiebedarf. Das favorisiert biotechnologische Prozessführungen. Sie werden aber nur dann zum Zuge kommen, wenn geeignete Mikroorganismen oder Enzyme verfügbar sind, welche die einzelnen Biomassekomponenten verarbeiten können. Die Suche nach wirkungsvollen biologischen Werkzeugen zum Aufschluss von Biomasse ist ein großes Forschungsfeld. Aktuell helfen in manchen Fällen nur thermochemische Verfahren. So wird Lignocellulose beispielsweise in einer 250 °C heißen Ethanol-Wasserlösung im Verhältnis 60:40 in Cellulose, Hemicellulose und Lignin zerlegt.

Mehrere Produktwege

Die einzelnen Komplexverbindungen der Biomasse unterscheiden sich in ihrem molekularen Aufbau. Dementsprechend unterschiedlich sind die Produkte, die daraus abgeleitet werden können. Cellulose besteht aus Glucose, daraus lässt sich Ethanol gewinnen, daraus wiederum Ethylen oder Polyethylen. Aber auch Milchsäure und daraus folgend Polymilchsäure sind glucosebasierte Produkte. Als Plattformchemikalien können Succinat oder auch 5-Hydroxy-methylfurfural aus Glucose hergestellt werden. Hemicellulosen liefern in erster Linie Zucker, aus Lignin lassen sich Phenolverbindungen für Polymere isolieren.

Über Bioraffinerien wird Biomasse zur breiten Basis für die Produktion von Polymeren und Plattformchemikalien. Die größten Herausforderungen für die erfolgreiche Umsetzung des Bioraffineriekonzepts sieht Hirth vor allem an folgenden Positionen: die Prozesse müssen weiter entwickelt und in den Großmaßstab überführt werden. Und sie müssen so gestaltet werden, dass sie sich in bestehende Herstellungsverfahren der Chemieindustrie einbinden lassen.

Bioraffinerie – Standardmodell der Zukunft

Novozymes, Markführer für Enzyme, setzt auf Kooperationen mit Industrieunternehmen. © BIOPRO/Bächtle

Auch Thomas Schäfer von Novozymes in Bagsvaerd/Dänemark sieht im Bioraffineriekonzept enorme Möglichkeiten – auch für sein Unternehmen. Novozymes ist der größte Hersteller von Enzymen weltweit. Mit der Bioraffinerie wächst der Bedarf an technischen Enzymen, die den Aufschluss von Biomasse und die Konversion unterstützen. Obwohl noch viel Arbeit vor den Verfahrenstechnikern, Biotechnologen, Polymerchemikern und Prozessentwicklern steht, ist Schäfer vom Potenzial der Bioraffinerien überzeugt. „Die Bioraffinerie wird das Standardmodell sein, um Öl zu ersetzen“, prognostiziert er.

In den Bestrebungen zu mehr Nachhaltigkeit sieht er eine wichtige Antriebskraft für die industrielle Biotechnologie. Die Biotechnologie muss seiner Ansicht nach so genannte „bioidenticals“ herstellen können. Darunter versteht man Moleküle, die zwar aus Biomasse stammen, aber strukturell identisch zu den Standardmolekülen der chemischen Industrie sind. Die Schlüsselfrage, welche die Biotechnologie laut Schäfer beantworten muss, ist: Sind biotechnologische Produkte preislich konkurrenzfähig? Die Antwort darauf führt zurück zu klassischen bioverfahrenstechnischen Parametern wie Ausbeute und Produktivität. Aber auch mit Substratbereitstellung, Nebenprodukten und Stoffkonversion muss sich die Biotechnologie befassen.

Der Bedarf an Verfahren, die ohne Erdöl Kunststoffe oder Plattformchemikalien herstellen, ist nach Schäfers Ansicht groß. Als Beispiel führte er die Polypropylenproduktion an. Ab 2015, so seine Prognose, wird dieses Polymer knapp sein, weil die Nachfrage das Angebot von derzeit rund 45 Millionen Tonnen im Jahr übersteigen wird. Einem alternativen Verfahren wie der Polypropylensynthese aus biobasiertem Ethanol könnte dieser Engpass zum Aufschwung verhelfen.

Billiger Biosprit

Dr. Thomas Schäfer informierte über die Bedeutung von technischen Enzymen © Universität Stuttgart, Inst. für Mikrobiologie

Für Novozymes liegen in solchen Entwicklungen viele Chancen. Nicht weil das Unternehmen in die Produktion von Plattformchemikalien oder Polymeren einsteigen will, sondern weil damit Enzyme und darauf basierende Prozessketten an Bedeutung gewinnen werden. Das Geschäftsmodell der Dänen setzt genau an diesem Punkt der biotechnologischen und bioindustriellen Wertschöpfungskette an: technische Enzyme und Prozesse zu entwickeln und diese mit Industriepartnern wie Braskem, ADM, Cargill oder anderen umzusetzen.

Ganz aktuell haben sie einen Prozess zum Aufschluss von Pflanzenmaterial erarbeitet, auf dessen Basis künftig Bioethanol hergestellt werden soll. Die Kosten pro Gallone Bioethanol gibt Novozymes mit zwei Dollar an – das entspricht einem Literpreis von rund 0,5 Euro. Das Verfahren realisieren will offenbar Braskem aus Brasilien.

China – der Weltmarktführer

Auch in China wächst die industrielle Bedeutung von Biomasse und damit verbunden das Interesse an Biokunststoffen. G. Chen von der Tsinghua Universität in Peking berichtete, dass biobasierte Kunststoffe oder deren Basisstoffe bereits zu mehreren Tausend Tonnen pro Jahr fermentativ hergestellt werden, darunter 20.000 Tonnen PHA, 5.000 Tonnen Polylactid (PLA) und 10.000 Tonnen Polybutylensuccinat (PBS). Für weitere Polymere wie zum Beispiel Polyethylen oder Polytrimethylenterephthalat (PTT) gibt es Pilotanlagen.

Die chinesische Regierung forciert die Entwicklung von bioabbaubaren Kunststoffen, indem sie zum Beispiel den Gebrauch der nicht-abbaubaren limitiert. Für Einkaufstüten ist das bereits geschehen, seit 2008 ist ihre Verwendung eingeschränkt. Hochgerechnet auf die potenzielle Konsumentenzahl ergibt sich ein gigantischer Markt für bioabbaubare Kunststoffe, die auch auf Basis von Biomasse hergestellt werden könnten. China ist bereits heute der größte Produzent biobasierter Kunststoffe. Abgesehen von PLA steht das Land bei allen relevanten Kunststoffen aus nachwachsenden Rohstoffen an der Spitze.

Industrietag war ein Gewinn

Die BIOPRO präsentierte den Cluster Biopolymere / Biowerkstoffe auf dem ISBP 2010. © BIOPRO/Bächtle

Der auf Initiative der BIOPRO Baden-Württemberg erstmals durchgeführte Industrietag war für das ISBP eine Bereicherung. Das bisher eher grundlagenorientierte Symposium erweiterte mit dem Blick auf Märkte und industrielle Umsetzungen seinen Horizont. Der Industrietag zeigte, dass die Biopolymereforschung in den Industriestaaten weltweit in Bewegung ist und Fortschritte erzielt. Manche Ansätze wie die Bioraffinerie stecken noch in den Kinderschuhen, sind aber vielversprechend. Die Verfahren zur Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen werden besser, die Preise biobasierter Produkte erreichen nach und nach die Niveaus, auf denen sie petrobasierten Produkten Paroli bieten können.

Die Produktionskapazitäten für Biokunststoffe sind zwar noch vergleichsweise klein. Gemessen an den riesigen Mengen, die die Kunststoffindustrie jedes Jahr verarbeitet, nehmen sich Jahresproduktionen einzelner Biokunststoffhersteller bescheiden aus. Wenn, wie im Fall von Metabolix, Kapazitäten von 1.000.000 Tonnen pro Jahr angestrebt werden, ist das jedoch ein Signal: die Biopolymerebranche schnürt die Sieben-Meilen-Stiefel.

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