100 % biobasierter Polyester konkurriert mit PET

Kunststoffflaschen aus Holzresten

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Kunststoffe und Polymere, die auf Basis nachwachsender Rohstoffe hergestellt werden, sind dank kosteneffizienter Produktionstechnologien auf dem besten Wege, die aus Erdöl hergestellten Alternativen in Zukunft zu verdrängen. Der vielversprechende Biokunststoff PEF könnte zukünftig in Form von Getränkeflaschen und Verpackungen in den Supermarktregalen stehen und damit zur Reduktion von Treibhausgasen beitragen.

Einer der vielversprechendsten Kandidaten unter den Biokunststoffen ist der zu 100 % biobasierte Polyester PEF (Polyethylenfuranoat). Gegenüber dem erdölbasierten PET (Polyethylenterephthalat) weist PEF bedeutend bessere Barriereeigenschaften für CO2, O2 und H2O auf, was neue Anwendungen erlaubt und das „Shelf life“ von Produkten verlängert. Der höhere Modulus führt zu einer verbesserten strukturellen Festigkeit von PEF. Dadurch lässt sich bei der Produktion von Verpackungen und Plastikflaschen Material einsparen. Neben dem Milliardenmarkt Flaschen und Folien gibt es zusätzliches Potenzial neue Märkte zu erschließen, die bisher weder durch PET noch durch andere Kunststoffe bedient werden konnten. PEF-basierte Produkte eignen sich unter anderem auch für den Einsatz in den Bereichen Kosmetik, Körperpflege, Reinigungsmittel oder Medizintechnik.

Plattformchemikalie aus Biomasse
Der Bio-Polyester PEF wird auf Basis von FDCA (2,5-Furandicarbonsäure), einem Folgeprodukt von 5-HMF (5-Hydroxymethylfurfural), hergestellt. Als eine der wichtigsten und vielfältigsten Plattformchemikalien bildet 5-HMF die Basis für eine Vielzahl an biobasierten Folgechemikalien und Hochleistungspolymeren und findet vielfältige Anwendung in der Kunststoff-, pharmazeutischen, Lebensmittel- oder der chemischen Industrie.
Das Molekül 5-HMF kann nicht aus Erdöl hergestellt werden, sondern nur auf Basis zuckerhaltiger Biomassen. Dank eines Moduls zur Isomerisierung verwertet das Verfahren unterschiedliche Arten von Zucker. Auch Glukose aus dem hydrolytischen Aufschluss aus Cellulose, insbesondere Holz, ist grundsätzlich für das Verfahren geeignet. Das Molekül ist eine organische Kohlenstoffverbindung und wird durch die chemische Dehydrierung von bestimmten Zuckern (Hexosen, C6-Zucker) gewonnen. Das US-Department of Energy benennt das auf Basis von 5-HMF hergestellte FDCA als eine der Top-10-Plattformchemikalien für die nächsten Dekaden.
5-HMF besteht aus einem Furanring, der über zwei chemische funktionale Seitengruppen verfügt: Aldehyd und Alkohol. Dies ist die optimale Voraussetzung zur Herstellung von neuen Polymeren wie PEF, da die Monomere sich an beiden Enden optimal verbinden können. Der Furanring kann chemisch auch als dehydratisiertes Di-Enol angesehen werden. Durch Auflösung dieses Rings lassen sich viele erdölbasierte Polymere ersetzen (Drop-In-Polymere wie Polyamide, -ester, -urethane).
FDCA ist eine Dicarbonsäure, die durch Oxidation von 5-HMF erzeugt werden kann. Aufgrund ihrer Ähnlichkeit zu Terephthalsäure kann sie als Grundstoff des PET-ähnlichen Biopolymers PEF benutzt werden.
Hydrothermaler Prozess
Zusammen mit den Experten des Karlsruher Instituts für Technologie untersucht AVA-CO2 seit 2010 die Vorteile und Möglichkeiten von industriellen hydrothermalen Prozessen. Auch das von AVA-CO2 entwickelte Verfahren zur Herstellung der Plattformchemikalie 5-HMF basiert auf einem hydrothermalen Prozess und kann Kohlenhydrate in eine Reihe biobasierter Rohstoffe umwandeln. Die als Hochdruckchemie in wässriger Lösung bezeichnete Technologie erlaubt die Herstellung von hochwertigem 5-HMF in wässriger Lösung. Optional kann 5-HMF auch in kristalliner Form mit bis zu 99,9 % Reinheit erzeugt werden. Das auf eine möglichst hohe Ausbeute für 5-HMF optimierte Verfahren besteht aus drei Schritten:
  • katalytische Dehydration von Kohlenhydraten in einer wässrigen Lösung zur Herstellung von 5-HMF
  • Extraktion von 5-HMF
  • optionale Aufreinigung und Konditionierung zu kristallinem 5-HMF
Im Februar 2014 eröffnete AVA Biochem, eine Tochtergesellschaft der AVA-CO2, mit der Biochem-1 die erste Produktionsanlage für 5-HMF im Clariant-Infrapark in Muttenz in der Schweiz. Die Anlage verfügt über eine jährliche Produktionskapazität von 20 t hochreinem 5-HMF in kristalliner Form oder 300 t 5-HMF in wässriger Lösung.
Schnittstelle zum Großmaßstab
Der wasserbasierte Prozess zur Herstellung der biobasierten Plattformchemikalie 5-HMF ist skalierbar. Die Technologie stellt das bisher fehlende Bindeglied zur großtechnischen Herstellung von FDCA und PEF dar. Im Mai 2016 entwickelte AVA-CO2 seinen bestehenden wasserbasierten 5-HMF-Produktionsprozess weiter. Die neue Schnittstelle erlaubt die Verwendung unterschiedlicher Lösemittel, die auf die Bedürfnisse verschiedener Oxidationsprozesse zur Herstellung von FDCA im industriellen Maßstab zugeschnitten sind. Diese Entwicklung ermöglicht die flexible Umsetzung industrieller Produktionsanlagen für 5-HMF und FDCA. Die Weiterentwicklung des bestehenden Prozesses erlaubt es in Zukunft, neben Wasser auch andere unterschiedliche Lösemittel, z. B. Essigsäure, einzusetzen. Damit wird die Nutzung unterschiedlicher bestehender oder zukünftiger FDCA-Oxidationsprozesse auf Basis von 5-HMF ermöglicht. Der neue Prozess erlaubt beispielsweise auch den Einsatz von 5-HMF als „drop-in“ in bestehende PTA-Produktionsanlagen. Die Weiterentwicklung des bestehenden AVA-CO2-5-HMF-Produktionsprozesses eröffnet neue Möglichkeiten in der Zusammenarbeit mit unterschiedlichen Partnern aus der Wertschöpfungskette.
Für das Jahr 2019 ist die Aufnahme der 5-HMF-/FDCA-Produktion in einer Industrieanlage mit einer Kapazität von 120 000 t/a FDCA vorgesehen. In einer ersten Phase werden ab 2019 30 000 t FDCA für spezifische PEF-Anwendungen hergestellt. Erste PEF-Verpackungen auf Basis von 5-HMF, stammen aus der laufenden Produktion in Muttenz, Schweiz, und sollen 2016 gemeinsam mit global tätigen Partnern aus der Wertschöpfungskette produziert, getestet und vorgestellt werden.

Thomas M. Kläusli
Chief Marketing Officer, AVA-CO2
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