Biosource Quellen als alternative Rohstoffe für fossile und synthetische Kohlenwasserstoffe

In den letzten Jahren hat das Bestreben zugenommen, fossile Produkte durch Produkte auf Basis von erneuerbaren Quellen herzustellen, um die Umwelt zu entlasten. Sustainability ist das große Schlagwort geworden.

Im Wesentlichen gilt es aber den Verbrauch an Mineralölkohlenwasserstoffen, die ihren Einsatz als Treibstoff und Wärmeli eferant haben zu reduzieren, um den CO 2 Ausstoß zu vermindern.
Sustainability heißt aber auch, die Biodiversität zu erhalten. Aus diesem Grund ist Vorsicht geboten, nicht nur auf Monokulturen als Rohstoffquellen zu setzen und auf eine nachhaltige Nutzung von Land zu achten.

Auf der anderen Seite gibt es auch den Ansatz, ebenso petrochemische Produkte durch Bioraffinerieverfahren zu ersetzen. Die Anforderungen an die Produkte aus der Mineralöl- und Petrochemie sind klar definiert, da von ihnen die Weiterverarbeitbarkeit zu anderen Produkten bestimmt wird (z.B. Kunststoffe, Schmierstoffe, kosmetische und pharmazeutische Produkt u.v.m.). Ein wesentliches Merkmal dieser Produkte ist ihre chemische und thermische Beständigkeit, die hauptsächlich davon abhängt, dass die Ausgangsprodukte frei von chemischen Nebenbestandteilen und chemisch labilen Reaktionsprodukten sind. Diese Verunreinigungen haben nicht nur einen Einfluss auf die Stabilität des Produkts, sondern zum Teil auch Auswirkung auf ihre toxikologischen und ökotoxikologischen Eigenschaften.

Die Herstellung von Kohlenwasserstoffen und petrochemischen Plattformchemikalien bedingt teilweise auch den Einsatz von fermentativen Methoden, bei denen genmodifizierte Mikroorganismen zur biochemischen Umwandlung eingesetzt werden, um die Produktausbeute zu optimieren und die biologische Stabilität der Mikroorganismen zu gewährleisten.
Bei der Herstellung von Lösungsmitteln (Clarke et al. 2018; Sheldon 2014) und Basischemikalien hat es bereits viele Fortschritte gegeben, wobei hier eine Herausforderung ist, die industriell benötigten Volumina zu produzieren. Die Wirtschaftlichkeit hängt auch von den notwendigen chemischen und thermischen Aufreinigungsverfahren zur Herstellung der Stoffe ab. Die Aufreinigung dieser Produkte wird umso anspruchsvoller, je höher die qualitativen Anforderungen für ihren Einsatz sind. Gerade für Produkte, die in der Pharmazie oder der Kosmetik eingesetzt werden, gilt es z.B. biologische Nebenbestandteile, wie Proteine, Peptide, genetisches Material (aus der erneuerbaren Ressource selbst oder aus fermentierenden, genmodifizierten Organismen) oder Phytohormone zu entfernen.

Eine deutliche Vereinfachung bei der Herstellung von bio-source Produkten ist es, wenn ein Zwischenprodukt in die Gasphase separiert werden kann. Hier wird z.B. in einem Verfahren iso-Buten aus fermentativ gewonnenem iso-Butanol hergestellt. Somit ist eine vollständige Abtrennung vom Einsatzprodukt möglich. Das iso-Buten wird zu iso-paraffinischen Kohlenwasserstoffen oligomerisiert, die z.B. als Emollients in der Kosmetik eingesetzt werden können.

Es gibt auch Ansätze bei denen Biomaterial zu Synthesegas pyrolisiert wird, um daraus nach dem Fischer Tropsch Verfahren gering verzweigte Kohlenwasserstoffe herzustellen, die für vielfältige Zwecke Verwendung finden.
Seit längerem werden Fettsäureester als biogene Stoffe für verschiedene Endprodukte eingesetzt. Sie haben jedoch häufig Nachteile, was ihre Oxidations- und Hydrolysestabilität angeht. Mit neueren Verfahren werden quervernetzte Ester hergestellt, in denen die Esterbindungen derart abgeschirmt sind, dass deren Stabilität extrem hoch ist (Romsdahl et al. 2019). Hier zeigen sich durchaus innovative Ansätze im Aufbruch zu neunen chemischen Produkten, die die notwendige chemische Stabilität haben.

In anderen Verfahren werden Fettalkohole oder Fettsäureester unter hohem Druck hydriert, um sie zu reinen Kohlenwasserstoffen umzuwandeln (Hancsók et al. 2014).

Die Innovation in den genannten Anwendungsgebieten ist sehr hoch aber dennoch ist nicht zu vergessen, dass es gilt, auch ein Augenmerk auf die toxikologischen Eigenschaften der Produkte zu haben, die mit aufwendigen Verfahren produziert werden. Hier sind zukünftig weiterhin viele regulatorische Hürden zu nehmen. Es kommt immer wieder vor, dass neue Produkte (und auch bereits länger bekannte Produkte) in den Fokus der „substances of very high concern“ kommen. Auch Naturstoffe auf terpenoider Basis zeigen bei der computergestützten QSAR* Betrachtung Verdachtsmomente für adverse Effekte im Körper oder der Natur. Terpenoide Grundstrukturen sind in Pflanzen und Lebewesen dazu vorgesehen, als Botenstoffe oder zelluläre Bausteine zu funktionieren und können durch enzymatische Reaktivierung wieder eine solche Wirkung entfalten. In der letzten Zeit wurde das Screening von Stoffen, die eine sehr schlechte biologische Abbaubarkeit (Bioakkumulierbarkeit) zeigen oder als endokrine Disruptoren verdächtig sind, verstärkt. Zu bedenken ist hierbei auch, dass einige Stoffe erst durch enzymatische Einwirkungen in der Natur und im Körper toxifiziert werden.
Aus diesem Grund kann es sich auszahlen vorab subchronische oder chronische toxikologische Tests durchzuführen, die eine Aussage über eine längere Wirkdauer der Substanz machen.

In jedem Fall gilt es im Vorfeld bereits, investigative Arbeit in diesen Teil der Produktplanung zu investieren, um im Nachhinein nicht unangenehme Überraschungen zu erleben.

Nur „Sustainability“ reicht leider nicht für die sorgenfreie Nutzung von Produkten aus neuen Ressourcen aus.

Auch für diese Produkte muss letztendlich ihr Unbedenklichkeit nachgewiesen werden.

*QSAR – Quantitative Structure-Activity Relationship

Weitere Informationsquellen :
RoadToBio
BioSC

Literaturverzeichnis
Clarke, Coby J.; Tu, Wei-Chien; Levers, Oliver; Bröhl, Andreas; Hallett, Jason P. (2018): Green and Sustainable Solvents in Chemical Processes. In: Chemical reviews 118 (2), S. 747–800. DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00571.
Hancsók, Jenő; Eller, Zoltán; Pölczmann, György; Varga, Zoltán; Holló, András; Varga, Géza (2014): Sustainable production of bioparaffins in a crude oil refinery. In: Clean Techn Environ Policy 16 (7), S. 1445–1454. DOI: 10.1007/s10098-014-0743-6.
Romsdahl, Trevor; Shirani, Asghar; Minto, Robert E.; Zhang, Chunyu; Cahoon, Edgar B.; Chapman, Kent D.; Berman, Diana (2019): Nature-Guided Synthesis of Advanced Bio-Lubricants. In: Scientific reports 9 (1), S. 11711. DOI: 10.1038/s41598-019-48165-6.
Sheldon, Roger A. (2014): Green and sustainable manufacture of chemicals from biomass: state of the art. In: Green Chem 16 (3), S. 950–963. DOI: 10.1039/C3GC41935E.