Das Interesse an biobasierten Alternativen f\u00fcr fossile Werkstoffe ist in den letzten Jahren stark gestiegen. Selbst der j\u00fcngste R\u00fcckgang der \u00d6lpreise \u00e4ndert nichts daran. In Zukunft werden biobasierte Kunststoffe und Polymere dank neuer, kosteneffizienter Produktionstechnologien erd\u00f6lbasierte Alternativen verdr\u00e4ngen. Auch verbesserte Leistungsf\u00e4higkeiten biobasierter Produkte, werden den Schritt von \u201eFossil\u201c zu \u201eBio\u201c beschleunigen. Als eine der wichtigsten und vielf\u00e4ltigsten Plattform-Chemikalien bildet 5-HMF die Basis f\u00fcr \u00fcber 175 wertvolle biobasierte Folgechemikalien. Diese wiederum k\u00f6nnen die Grundbausteine f\u00fcr zahlreiche Polymere mit vergleichsweise geringem CO2-Footprint sein.<\/p>\n
Die chemische Industrie basiert heute \u00fcberwiegend auf fossilen Rohstoffen wie Erd\u00f6l und Erdgas. Aus diesen werden sogenannte Basis- oder Plattform-Chemikalien hergestellt, die wiederum als Ausgangsstoffe f\u00fcr viele verschiedene Industrieprodukte dienen, beispielsweise f\u00fcr Kunststoffe oder Stoffe f\u00fcr Beschichtungen, Farben und Lacke.<\/p>\n
Angesichts von Ressourcenknappheit, Klimawandel und dem Streben nach nachhaltiger Entwicklung steigt allerdings das Interesse an erneuerbaren Rohstoffen, die das Erd\u00f6l ersetzen k\u00f6nnen. Pflanzen binden das Kohlendioxid der Atmosph\u00e4re in ihrer Biomasse. Bindet man die Kohlenstoffverbindungen der Pflanzen in Produkten, kann man die Erh\u00f6hung der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosph\u00e4re durch die fossil basierte Industrialisierung wieder r\u00fcckg\u00e4ngig machen. Die meisten Kohlenstoffverbindungen in Pflanzen sind Zucker, wie Cellulose in B\u00e4umen. Aus Zucker kann man unter anderem die Plattformchemikalie 5-Hydroymethylfurfural machen.<\/p>\n
Eine Schl\u00fcsselrolle beim Wandel von der erd\u00f6lbasierten Chemie zu einer Chemie auf der Grundlage von Biomasse k\u00f6nnte die Plattform-Chemikalie 5-Hydroxymethylfurfural, kurz 5-HMF spielen. Als eine der wichtigsten und vielf\u00e4ltigsten Plattform-Chemikalien bildet 5-HMF die Basis f\u00fcr \u00fcber 175 wertvolle biobasierte Folgechemikalien\u00a0 wie zum Beispiel 2,5-Furandicarbons\u00e4ure (FDCA), 2,5-Bishy-droxymethylfuran, Adipins\u00e4ure oder Monomere zur Herstellung von Hochleistungspolymeren, und findet dabei Anwendung in der Kunststoff-, Pharmazeutischen-, Lebensmittel- oder der chemischen Industrie.
\n5-HMF ist eine organische Kohlenstoffverbindung, gewonnen durch die\u00a0 Dehydratisierung von bestimmten Zucker (Hexosen, C6) und kann technisch und \u00f6konomisch sinnvoll nur aus Biomasse hergestellt werden.<\/p>\n
5-HMF besteht aus einem Furanring mit zwei funktionellen Seitengruppen \u2013 Aldehyd und prim\u00e4rer Alkohol. Durch geeignete chemische Modifikationen einer oder beider funktioneller Gruppen k\u00f6nnen daher verschiedene Monomere zur Herstellung von neuen Polymeren wie zum Beispiel PEF (Polyethylenfuranoat) hergestellt werden. Der Furanring kann chemisch auch als dehydratisiertes Di-Enol angesehen werden. Durch Aufspaltung dieses Rings k\u00f6nnen ebenso bi-funktionelle Monomere hergestellt und dadurch viele erd\u00f6lbasierte Polymere durch biobasierte ersetzt werden (Drop-In-Polymere wie Polyamide, -ester, -urethane).<\/p>\n
5-HMF ist eine helle, feste, sehr gut wasserl\u00f6sliche Substanz mit niedrigem Schmelzpunkt.
\nDurch einen neuartigen, skalierbaren hydrothermalen Produktionsprozess kann 5-HMF in Zukunft in industriellen Mengen hergestellt werden. Dabei besteht die M\u00f6glichkeit, 5-HMF in kristalliner Form mit einer Reinheit von bis zu 99,9% oder in w\u00e4ssriger L\u00f6sung herzustellen. Der Produktionsprozess basiert auf einem hydrothermalen Prozess und bietet den gro\u00dfen Vorteil, dass die gesamte Reaktion in Wasser als L\u00f6semittel abl\u00e4uft.<\/p>\n
2,5-Furandicarbons\u00e4ure ist eine Dicarbons\u00e4ure, die durch Oxidation von 5-HMF erzeugt werden kann. Mit ihrer strukturellen \u00c4hnlichkeit zu Terephthals\u00e4ure kann sie als Grundstoff des PET (Polyethylenterephthalat) -\u00e4hnlichen Biopolymers PEF benutzt werden und somit den CO2-Fu\u00dfabdruck von Kunststoffflaschen oder anderen Verpackungen erheblich verbessern.<\/p>\n
PEF bietet neben dem besseren CO2-Fu\u00dfabdruck aber noch weitere Vorteile. So weist PEF gegen\u00fcber PET bedeutend bessere Barriere-Eigenschaften f\u00fcr CO2, O2 und H2O auf, was neue Anwendungen erlaubt und die Lebensdauer, das \u201eshelf live\u201c, der gesch\u00fctzten Produkten verl\u00e4ngert. Zudem sparen\u00a0 die verbesserten Barriere-Eigenschaften und die Zugfestigkeit von PEF Material bei Verpackungen und\u00a0 Produktionskosten.<\/p>\n
5-HMF l\u00e4sst sich selektiv zu Bis-hydroxymethylfuran reduzieren. Dieses Diol bildet mit verschiedenen Polyisocyanaten lineare oder vernetzte Polyurethane mit unterschiedlichsten Eigenschaften. Der Grad der Vernetzung und die M\u00f6glichkeit, die Engmaschigkeit der Vernetzung durch Verwendung bestimmter Polyisocyanate zu variieren, f\u00fchren zu biobasierten Kunststoffen, welche Duroplaste, Thermoplaste oder auch Elastomere sein k\u00f6nnen. So werden bereits auf der Basis von 5-HMF Polyurethane hergestellt , um daraus unschmelzbare, unl\u00f6slichen Fasern zu produzieren.<\/p>\n
Unter Ring\u00f6ffnung kann 5-HMF zu biobasierter Adipins\u00e4ure konvertiert werden, einem wichtigen Baustein in der Synthese von Polyamiden wie zum Beispiel Nylon. Adipins\u00e4ure ist auch ein Vorprodukt f\u00fcr die Herstellung von Polyesterpolyolen f\u00fcr Polyurethansysteme und thermoplastische Polyurethane. Anwendungsgebiete hierf\u00fcr sind Elastomere, Weich- und Hartsch\u00e4ume. Hochsiedende Esterprodukte der Adipins\u00e4ure, speziell Diethylhexyladipat, werden als Ersatz f\u00fcr Phtals\u00e4ureester als Weichmacher in Polyvinylchlorid (PVC) eingesetzt.<\/p>\n
Durch Reduktion von Adipins\u00e4ure wiederum entsteht 1,6-Hexandiol, ein wichtiger Baustein f\u00fcr die Produktion von Hochleistungspolyestern, Polyurethanharzen und Klebstoffen. Die weltweite j\u00e4hrliche Produktion allein dieser Synthesechemikalie aus fossilen Rohstoffen betr\u00e4gt etwa 33.000 Tonnen.<\/p>\n
Neben den interessanten und vielf\u00e4ltigen Anwendungsbereichen im Kunststoffbereich bietet 5-HMF auch als Ersatz von Formaldehyd in Duroplasten eine gesundheitlich unbedenkliche, biobasierte Alternative. Die Phenol-Formaldehyd-Harz Fertigungsindustrie steht vor einer wachsenden Heraus-forderung. Die Verwendung von
\nkrebserzeugenden Formaldehyds hat nachteilige Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und steht einer wachsenden Kritik gegen\u00fcber.<\/p>\n
Glucose und eines seiner Derivate, 5-Hydroxymethylfurfural (5-HMF) haben sich mittlerweile als potenzielle Ersatzstoffe f\u00fcr Formaldehyd in der Synthese von Phenol-Novolak-Harzen (Phenoplasten) und Melaminharzen (Aminoplasten) best\u00e4tigt. Harnstoff-Formaldehyd und Phenol-Formaldehyd-Kondensationsharze sind zurzeit die wichtigsten Arten von Duroplasten. Diese werden unter anderem als Klebstoffe zum Binden fester Lignocellulose-Materialien wie beispielsweise Holz verwendet. Die Harze werden \u00fcblicherweise als w\u00e4ssrige Produkte mit hohem Feststoffgehalt produziert. Verwendung findet aber auch eine pulverf\u00f6rmige Variante, welche in Wasser gel\u00f6st oder direkt auf die Lignocellulose-Teilchen vor dem Hei\u00dfpressen aufgebracht wird. Eines der Hauptanwendungsgebiete ist die Produktion von Spanplatten.<\/p>\n
Obwohl der gr\u00f6\u00dfte Teil des bei der Bildung des Harzes verwendeten Formaldehyds mit dem Harnstoff oder Phenol reagiert, gast immer noch freies Formaldehyd aus. Die Hydrolyse des Harzes kann zudem ebenfalls zur Freisetzung der Chemikalie\u00a0 aus dem Endprodukt f\u00fchren. Formaldehyd ist als karzinogen eingestuft. Seine Pr\u00e4senz in der Umwelt stellt ein potenzielles Problem f\u00fcr die \u00f6ffentliche Gesundheit dar und steht daher seit Jahren in der \u00f6ffentlichen Kritik. Die Industrie ist demnach stark daran interessiert, Klebstoffe zu entwickeln, welche weder Formaldehyd als Bestandteil haben noch solches bei der Hydrolyse freisetzen. Zudem basieren die meisten im Handel erh\u00e4ltlichen Kondensationsharze auf Erd\u00f6l oder Erdgas. Die Verf\u00fcgbarkeit dieser nicht erneuerbaren Ressourcen ist langfristig nicht gesichert oder unterliegt zumindest einer gro\u00dfen Preisvolatilit\u00e4t. Es ist daher auch wirtschaftlich sinnvoll, Kondensationsharze auf Basis von biobasierten, erneuerbaren Materialien zu produzieren. Die Eignung von biobasierten 5-HMF als k\u00fcnftiger Ersatz f\u00fcr Formaldehyd in Duroplasten wurde in der Vergangenheit bereits in einer Vielzahl von Studien und Untersuchungen best\u00e4tigt. Biobasiertes 5-HMF als Formaldehydersatz in Duroplasten stellt also bereits heute eine Alternative dar.<\/p>\n
5-HMF l\u00e4sst sich aus Biomasse in einem Prozess unter Hochdruck in w\u00e4ssriger L\u00f6sung herstellen. Hydrothermale, also unter W\u00e4rme und Druck in Wasser gef\u00fchrte Prozesse, haben den Vorteil, dass sie vollst\u00e4ndig im Medium Wasser ablaufen, was zu entsprechenden Kostenvorteilen bei der Produktion von 5-HMF f\u00fchrt, wenn das Ausgangsmaterial wie die Biomasse schon Wasser enth\u00e4lt oder sowieso wie heute \u00fcblich in diesem aufbereitet wird (Papier-, Zucker- und St\u00e4rkeherstellung).<\/p>\n
Der skalierbare Prozess erlaubt es, in Zukunft 5-HMF als Bulk Chemikalie herzustellen. Nur durch die entsprechenden Skaleneffekte werden biobasierte Verbindungen wie 5-HMF in Zukunft mit petro-basierten Alternativen preislich konkurrenzf\u00e4hig sein. Mit der Inbetriebnahme der weltweit ersten, kommerziellen Produktionsanlage f\u00fcr 5-HMF durch AVA Biochem in Muttenz, Schweiz ,konnte der Beweis erbracht werden, dass der Prozess sehr effizient funktioniert. Bereits heute wird 5-HMF in w\u00e4ssriger L\u00f6sung oder in kristalliner Form mit einer Reinheit von bis zu 99,9% angeboten.<\/p>\n
Als n\u00e4chsten Schritt plant die Mutter-gesellschaft die gro\u00dftechnische Umsetzung der Technologie. Als Spezialist zur Produktion von 5-HMF kooperiert das Unternehmen mit allen Beteiligten in der Wertsch\u00f6pfungskette \u2013 vom Lieferanten der Biomasse \u00fcber die Chemieindustrie und deren Folgeindustrien bis zu den Endanwendern. Es bringt seine Kernkompetenz der Umwandlung von Fructose in Wasser zu 5-HMF in Wasser in die Kette der Kernkompetenzen der anderen Industriepartner ein und erm\u00f6glicht somit v\u00f6llig neue Wege zur Herstellung bekannter und neuer Produkte. Durch den innovativen, skalierbaren Produktionsprozess f\u00fcr zuckerbasiertes 5-HMF ist ein wichtiger Schritt in Richtung bio-basierter Chemie gelungen. Der Weg zu Verpackungen und Kunststoffen, welche 100% auf Biomasse basieren, ist damit ein wichtiges St\u00fcck einfacher geworden.<\/p>\n
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Aus HMF lassen sich Polymer-Bausteine herstellen und diese k\u00f6nnten PET (Polyethylenterephthalat) ersetzen. Ersetzt man einen Hauptbestandteil (Terephthals\u00e4ure) von PET durch die biogene Alternative FDCA (Furandicarbons\u00e4ure), dann entsteht statt PET das Polymer PEF (Polyethylenfuranoat). PEF und PET sind einander chemisch sehr \u00e4hnlich und haben auch beinahe dieselben Materialeigenschaften \u2013 allerdings ist PEF sogar noch etwas undurchl\u00e4ssiger f\u00fcr Gase. Die Marktaussichten f\u00fcr ein solches Material sind vielversprechend: Allein in \u00d6sterreich gibt es einen Markt f\u00fcr \u00fcber 50.000 Tonnen PET pro Jahr. \u201eDas war auch der Grund, warum sich die chemische Industrie von Anfang an sehr f\u00fcr unser Projekt interessiert hat\u201c, sagt Dr. Michael Sch\u00f6n. Der Chemiker erhielt im Dezember 2014 den Ernst-Fehrer-Preis der TU Wien. Er entwickelte in seiner Dissertation Verfahren, mit denen aus Bio-Reststoffen wie Stroh bessere Bio-Treibstoffe oder Plastikflaschen werden k\u00f6nnen. Durch moderne Durchfluss-Mikroreaktortechnologie wurde es m\u00f6glich, chemische Reaktionen, die nur bei hohen Dr\u00fccken und Temperaturen ablaufen, unter Ber\u00fccksichtigung wichtiger Sicherheitsaspekte durchzuf\u00fchren.<\/p>\n
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