Forschung: Bernsteinsäure als Basis technischer Biopolymere

Im Rahmen eines von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) geförderten Projektes befasst sich bei Fraunhofer UMSICHT eine Forschergruppe mit der Entwicklung von polymeren Werkstoffen auf Basis Nachwachsender Rohstoffe. In erster Linie handelt es sich hierbei um Polyester und Polyamide, die aus fermentativ hergestellter Bernsteinsäure sowie aus daraus abgeleiteten Chemikalien entwickelt werden.

Ausgangssituation
Polyamide sind hochwertige Kunststoffe, die aufgrund ihrer Eigenschaften meist in Spezialanwendungen Einsatz finden. Im Fokus der aktuellen Arbeiten der Forschergruppe steht Polyamid 44, das aus den Monomeren Bernsteinsäure und 1,4-Diaminobutan hergestellt wird. Die zu erwartenden Eigenschaften von Polyamid 44 lassen sich am ehesten mit den Eigenschaften von Polyamid 46 vergleichen, das bereits auf dem Markt verfügbar ist. Wie aus Abbildung 1 ersichtlich wird, bewegt sich Polyamid 46 in einem mittleren Preisniveau und findet hauptsächlich in anspruchsvolleren Einsatzgebieten Verwendung. Für Polyamid 44 werden gleichwertige Anwendungen und damit verbunden auch gleiche bzw. höhere Preise erwartet. Daraus ergeben sich ökonomische Vorteile bei der industriellen Umsetzung.

Abb. 1: Preise, Mengen und Anwendungen für verschiedene Polymere. Grafik: Fraunhofer UMSICHT

Vom Rohstoff zum Produkt
Bernsteinsäure ist eine Dicarbonsäure mit einer C4-Kette. Die Eignung von Bernsteinsäure als Basis-Chemikalie einer nachhaltigen Chemiewirtschaft ist in der guten biotechnologischen Herstellbarkeit sowie in den guten Möglichkeiten zur Ableitung weiterer Chemikalien durch chemische Umwandlung begründet (siehe Abb. 2). Diese industrielle C4- Chemie wird vergleichbar zu den Produktstammbäumen der Erdölchemie im vergangenen Jahrhundert in den kommenden Jahrzehnten eine zentrale Bedeutung zur Herstellung von Chemiegrundstoffen und daraus resultierenden Produkten erlangen.

Zurzeit erfolgt die industrielle Herstellung von Bernsteinsäure mit Hilfe eines chemischen Prozesses, ausgehend von Erdöl über Maleinsäureanhydrid. Eine gute Alternative zu diesem petrochemischen Pfad bietet die Weiße Biotechnologie. Bernsteinsäure kann mittels Fermentation hergestellt werden, da sie ein Zwischenprodukt des Zitronensäurezyklus und eines der Endprodukte des anaeroben Stoffwechsels ist.

Abb. 2: Der Weg vom Nachwachsenden Rohstoff zu industriellen Endprodukten. Grafik: Fraunhofer UMSICHT

In der Literatur werden Anaerobiospirillum succiniciproducens, Actinobacillus succinogenes und Mannheimia succinici producens MBEL55E als natürliche Überproduzenten und potenzielle Kandidaten für eine industrielle biotechnologische Bernsteinsäureproduktion erwähnt. Handicaps dieser Mikroorganismen sind zurzeit das zu kostenintensive Medium, ihr langsames Wachstum und geringe Raum-Zeit- Ausbeuten. Die weltweit auf diesem Thema agierenden Arbeitsgruppen verfolgen verschiedene Wege, um konkurrenzfähig zur petrochemischen Route zu werden. Möglich sind hierbei z.B. Kosten- und Ausbeuteoptimierung sowie genetische Modifikation von Mikroorganismen.

Das zu entwickelnde Verfahren soll aufgrund der herrschenden Marktfluktuationen in Bezug auf Angebot und Preis mit unterschiedlichen Nachwachsenden Rohstoffen durchführbar sein. Gleichzeitig wird eine Kostenreduktion und eine Ausbeute- Optimierung angestrebt. Nach der biotechnologischen Herstellung liefert das Downstream-Processing Bernsteinsäure für die beiden Arbeitsteilbereiche “chemische Konversion” und “Polymerisation”.

Im Gebiet der chemischen Konversion steht die Umwandlung der Bernsteinsäure in technisch relevante Plattform-Chemikalien und in die für die Polymerisation benötigten Monomere im Vordergrund. Bei der Entwicklung der Syntheserouten wird ebenso der petrochemische Pfad betrachtet, um die Synthesen auch in bereits bestehenden Anlagen durchführen zu können.

Die Wertstoffe aus der chemischen Konversion, speziell 1,4-Diaminobutan und 1,4-Butandiol, werden zu Polykondensaten, in erster Linie Polyestern und Polyamiden, umgesetzt. Sie können je nach Bedarf durch Copolymerisation in ihren Materialeigenschaften verändert werden. Die gesamten Darstellungsverfahren werden so ausgearbeitet, dass sie für die technische Produktion im größeren Maßstab geeignet sind.

Eigenschaften und Applikationsbeispiele
Die erwarteten Eigenschaften von Polyamid 44 lassen sich aus herkömmlichen Polyamiden ableiten. Diese sind durch gute Zähigkeit bei gleichzeitiger großer Härte und Steifigkeit geprägt. Charakteristisch sind ferner die Abriebfestigkeit und die hohe Formbeständigkeit.

Ausgehend von den Polyamiden PA 66 und PA 46 lässt sich das Profil von PA 44, dem ersten Zielprodukt, extrapolieren. PA 44 wird geprägt sein durch einen extrem hohen Schmelzpunkt, sehr hoher Kristallinität, aber auch durch erhöhte Feuchtigkeitsaufnahme. Durch die Kombination dieser Eigenschaften können drei Produktgruppen identifiziert werden:

• Thermisch und/oder mechanisch belastbare Baugruppen (ggf. in wasserfreier Umgebung), wie z.B. ölgekapselte Getriebeteile, Pumpenteile, Zahnräder, motornahe Bauteile oder lötfeste Gehäuse für elektronische Komponenten.
• Reißfeste Fasern mit hoher Wasseraufnahme (Mischgewebe, Outdoorbekleidung) oder Klebstoffe im Textilbereich.
• Hydrophile modifizierbare belastbare Polymermembranen, z.B. für die Anwendung in der Filtriertechnik.

Source

Biowerkstoff-Report Seite 45, 2008-11.

Supplier

Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR)
Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT)

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