7 Oktober 2010

Braskem: Polyethylen auf Basis von Zucker – im großen Maßstab

Deutsche Biotechnologie erschließt Holz und Stroh als Quelle chemischer Grundstoffe

Luis Nitschke hat gut lachen. Der Leiter des Biopolymer-Projektes der größten Petrochemiefirma Lateinamerikas hat es geschafft, alle anderen Chemiekonzerne der Welt abzuhängen. Ende September hat die brasilianische Braskem S.A. mitten in ihrem Anlagenkomplex nahe Triunfo, gut 1000 Kilometer südwestlich von São Paulo, die erste Fabrik der Welt in Betrieb genommen, in welcher der Massenkunststoff Polyethylen klimaschonend produziert wird. Bisher entstehen die 45 Millionen Jahrestonnen des häufigsten Kunststoffes der Welt aus Erdöl. Pro Tonne Plastik entweichen dabei sechs Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre.

Basis des neuen Herstellungsprozesses von Braskem ist Zuckerrohr. Einzellige Hefepilze vergären dessen süßen Pflanzensaft zu Ethanol. Die anschließende chemische Umwandlung des Alkohols in den Kunststoffbaustein Ethylen und dessen Vernetzung zu Polyethylen erfolgt bei niedriger Temperatur und geringem Druck. Die nötige Prozessenergie liefert das Stroh des zuvor ausgepressten Zuckerrohres, die sogenannte Bagasse.

Durch die komplette Verwertung sieht die Ökobilanz der Bioplastikproduktion nach Angaben von Braskem geradezu vorbildlich aus: Anstatt CO2 freizusetzen, bindet die Herstellung einer Tonne des grünen, recycelbaren Kunststoffes sogar zwischen 2,1 und 2,5 Tonnen des Treibhausgases. Wasser ist der einzig verbleibende Abfallstoff. Auch die lokale Umweltbehörde Fepam, die Braskem Mitte Juli die Herstellungsgenehmigung erteilte, bescheinigt dem Produktionsverfahren Nachhaltigkeit.

“Braskem wird das Biopolyethylen wegen seiner ökologischen Vorteile als Premiumprodukt vermarkten”, erklärt Nitschke, dessen Arbeitgeber das Bioplastik rund 50 Prozent über dem Marktpreis für petrochemisch produziertes Polyethylen anbietet. “Damit sind wir – unabhängig vom Erdölpreis – profitabel.”

Die Strategie scheint aufzugehen. Schon vor dem offiziellen Start waren mehr als 80 Prozent der Jahresproduktion von 200 000 Tonnen verkauft. Der Autohersteller Toyota hat das Bioplastik bestellt, die Konzerne Shiseido und Procter & Gamble wollen daraus vom nächsten Jahr an Plastikverpackungen für Kosmetikprodukte und Kosumgüter fertigen. Brasiliens größter Spielwarenhersteller Brinquedos Estrela hofft, mit “grünem” Plastik bei umweltbewussten Eltern zu punkten.

Der ökologische Nutzen, insbesondere die dem Prozess zugrundeliegende Biospritproduktion, ist indes nicht unstrittig. Umweltorganisationen wie der Verein Rettet den Regenwald warnen, dass die Expansion des Zuckerrohranbaus in Brasilien auf Kosten der tropischen Urwälder im Amazonasgebiet gehen könnte. Die Gefahr besteht vor allem dort, wo Viehbauern, die durch den Ausbau der Zuckerrohrmonokulturen verdrängt werden, neues Weideland urbar machen müssen. Diese indirekten Folgen legen einen Schatten auf die ansonsten unangefochten positive CO2-Bilanz.

Keine Zweifel bestehen hingegen an der Wirtschaftlichkeit der in den letzten 30 Jahren in Brasilien perfektionierten Herstellung von Bioethanol aus Zuckerrohr. Im Gegensatz zu dem in Europa und den USA verbreiteten Stärkeethanol, das auf Basis von Mais, Weizen oder Kartoffeln gewonnen wird, ist die Zuckerrohrvariante mit 330 Euro pro Kubikmeter rund 25 Prozent billiger – wenn man die 192 Euro pro Kubikmeter nicht einrechnet, die der deutsche Zoll bei Einfuhr kassiert. Positiv schlägt laut einer aktuellen Studie der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) auch zu Buche, dass der Zuckerrohranbau eine weitaus geringere Konkurrenz zur Nahrungsproduktion darstellt als etwa die Biospritherstellung aus Weizen. Zuckerrohr beansprucht in Brasilien gerade einmal 1,5 Prozent der landwirtschaftlich nutzbaren Fläche.

Deutsche Firmen und Forscher suchen indes nach Rohstoffalternativen für die Bioethanol- und Biokunststoffproduktion, die über jeden Zweifel erhaben sind. “Stroh- und Holzabfälle fallen als landwirtschaftliche Reststoffe ohnehin in großen Mengen an, sie sind billig und konkurrieren nicht mit der Nahrungsmittelproduktion”, sagt Holger Zorn von der Universität Gießen. Der Biotechnologe ist Mitglied in mehreren Forschungskonsortien, die neue Verfahren erproben, Pflanzenfasern in ihre Grundbausteine aus Zuckermolekülen zu zerlegen, diese weiterzuverarbeiten und als Basischemikalien in die Produktionsketten der Chemieindustrie einzuspeisen.

Bisher ist dieser Schritt weder wirtschaftlich noch besonders effizient gelungen. Das Hauptproblem: Im Vergleich zu Zuckerrohr ist es viel komplizierter, den störrischen Pflanzenfasern die begehrten Zucker zu entreißen. Zorn und ein gutes Dutzend anderer deutscher Forschergruppen suchen systematisch nach Enzymen, die langkettige Cellulose und den ebenso stabilen Holzstoff Lignin schnell und effizient aufspalten können. Fündig wurden sie unter anderem in Pilzen, die von Natur aus zur Holzzersetzung fähig sind. Doch der Prozess, diese Enzyme aus Pilzkulturen zu gewinnen, ist langwierig und teuer. Abhilfe könnte ein neues Verfahren schaffen, bei dem schnell wachsende Mikroorganismen die Enzyme in großer Menge herstellen.

Auf diesem Weg gibt es jetzt erste Erfolge: “Industrie macht Sprit aus Stroh”, titelte das Biotechnologie-Fachmagazin “transkript” in seiner Septemberausgabe. Forscher der Münchner Süd-Chemie AG haben ein Verfahren entwickelt, das zwar noch nicht so wirtschaftlich ist wie der Zuckerrohrprozess, aber erstmals ohne teure Enzymzugaben auskommt. “Bei der Herstellung von Ethanol aus Cellulose liegen wir bei einigen Rohstoffen schon jetzt im Preisbereich herkömmlich hergestellten Bioethanols”, erklärt Andre Koltermann, Forschungsleiter der Süd-Chemie.

Bisher wurde das Sunliquid genannte Verfahren nur in kleineren Pilotanlagen getestet. Bald wollen die Forscher zeigen, dass ihr Prozess auch im Industriemaßstab funktioniert und wirtschaftlich ist. In Straubing entsteht bis Ende 2011 eine 16 Millionen Euro teure Demonstrationsanlage mit einer Kapazität von 2000 Jahrestonnen Ethanol aus Cellulose. Das Bundesforschungsministerium und das Land Bayern steuern noch einmal je fünf Millionen Euro für Begleitforschungsprojekte bei.

Die Entwickler der Süd-Chemie haben gleich mehrere Probleme gelöst, die der wirtschaftlichen Umwandlung des Strohs in Zucker und Ethanol bisher im Wege standen. Statt teure strohzersetzende Enzyme zuzukaufen, setzen sie gentechnisch veränderte Mikroorganismen ein. Diese stellen die benötigten Enzyme direkt in den Reaktoren der Anlage her und zerlegen so das Stroh in seine Zuckerbestandteile. Anschließend vergären spezielle Hefen die Zucker zu Ethanol. Ihr Stoffwechsel wurde so umgebaut, dass sie auch die normalerweise für Hefepilze nicht nutzbaren Zuckerarten Xylose und Arabinose in Alkohol verwandeln. Selbst der bei der Strohzersetzung zurückbleibende Holzstoff Lignin wird verwertet. Er liefert die Energie, um die Anlage zu betreiben.

Der bei Sunliquid entstehende Cellulosesprit ließe sich analog zum Zuckerrohrethanol chemisch zu Polyethylen weiterverarbeiten, erklärt Koltermann. Aus den Zuckern können zudem weitere Basischemikalien hergestellt werden, als Alternative zu petrochemisch erzeugten Grundstoffen. Besonders attraktiv an dem Prozess ist, dass Stroh – im Gegensatz zu Zuckerrohr – weltweit in großen Mengen verfügbar ist. Süd-Chemie arbeitet bereits an der Optimierung des Verfahrens für die drei weltweit häufigsten Stroharten: das in Asien verbreitete Reisstroh, die Zuckerrohrbagasse in Lateinamerika und das in den USA und Europa anfallende Getreidestroh.

Richtig wirtschaftlich würde die Nutzung von Stroh- oder Holzabfällen als Rohstoffquelle für die Chemieindustrie nach Experteneinschätzung allerdings erst, wenn es gelänge, neben den Zuckern auch das Lignin nicht nur energetisch zu nutzen, sondern ebenso komplett in Wertstoffe umzuwandeln. In Erdölraffinerien ist diese totale Verwertung der einfließenden Rohstoffe in jahrzehntelanger Optimierungsarbeit gelungen. Biotechnologen, Ingenieure und Chemiker wollen das jetzt auf nachwachsende Rohstoffe übertragen.

In die Bioraffinerie-Forschung fließt derzeit weltweit viel Fördergeld. Besonders in Deutschland wird die Entwicklung nachhaltiger Produktionsverfahren massiv unterstützt. Noch in diesem Jahr beginnen die Bauarbeiten für die erste Bioraffinerie Europas: Im Chemisch-Biotechnologischen Prozesszentrum (CBP) sollen Unternehmen die Chemieproduktion auf Basis nachwachsender Rohstoffe im großtechnischen Maßstab erproben können. Standort des Pionierprojektes ist Leuna in Sachsen-Anhalt.

Das Interesse vonseiten der Industrie ist groß. Bayer, Evonik oder Wacker Chemie sind nur einige der bekannteren Unternehmen, die den Wandel weg vom Erdöl aktiv vorantreiben. “Die Nutzung nachwachsender Rohstoffe setzt sich auf breiter Front durch”, sagt der Gießener Biotechnologe Holger Zorn. “Es gibt keine große Chemiefirma, die sich hier nicht engagiert.”

Source: Rheinischer Merkur, 2010-10-07.

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