Blickpunkt

Chemical Building Blocks, also Basismoleküle zum Aufbau höherwertiger Chemikalien oder Produkte, werden zunehmend aus biogenen nachwachsenden Rohstoffen und deren Abfallprodukten hergestellt. Zu dieser Biomasse gehören zucker- und stärkehaltige Stoffe wie Mais, Zuckerrohr und Weizen, aber auch nicht Essbares wie Holz, Gräser oder Stroh. Bislang stellt die chemische Industrie die meisten Produkte aus erdölbasierten Bausteinen her.
Im Jahr 2009 betrug der Gesamtmarkt für biobasierte Chemikalien 36,9 Mrd. US-Dollar. Für das Jahr 2015 wird eine Marktgröße von 76,2 Mrd. US-Dollar angenommen.1 Welches Potenzial weiterhin besteht, zeigt das Beispiel von 1,4-Butandiol: Die etwa 900 000 produzierten Tonnen pro Jahr werden überwiegend in der Kunststoffindustrie eingesetzt. Das Marktvolumen für auf 1,4-Butandiol basierenden Produkte wird auf 5 Mrd. Euro geschätzt.2 Die Automobilindustrie verwendet bereits biobasierte Kunststoffe.3


<h2>Geringere CO2-Emission als Treiber</h2>
Die kostensparende Reduktion der Treibhausgas-Emission und Nachhaltigkeit als ethisches Motiv sind die größten Treiber für die chemische Industrie, nach grünen Intermediaten zu fragen. Chemikalien aus erneuerbaren Rohstoffen verbessern die CO2-Bilanz und verringern den Treibhauseffekt. Unternehmen sparen so Kosten für CO2-Zertfikate. Eine nachhaltige Firmenpolitik ist auch marktgetrieben: Bei wachsenden Teilen der Gesellschaft hat sich ein größeres ökologisches Bewusstsein verankert. Der Konsument verlangt immer häufiger grüne Produkte.
Doch so grün das Gewissen der Menschheit sein mag, derzeit sind nur wenige bereit, einen höheren Preis für biobasierte Produkte zu zahlen. Der Erfolg biobasierter Building Blocks hängt damit von der Wirtschaftlichkeit der Prozesse ab.


<h2>Prozesssicherheit und Flexibilität</h2>
Die Anbieter von Enzymen und Mikroorganismen leisten einen Beitrag zur ökonomischen Produktion von biobasierten Basismolekülen: Maßgeschneiderte biochemische Katalysatoren verringern die Kosten. Die Herausforderungen liegen in der Prozesssicherheit für die Abnehmerindustrie und in der Flexibilität bei den eingesetzten Rohstoffen.
Beim Wechsel von petrochemischen zu biobasierten Grundbausteinen muss gewährleistet sein, dass Prozesse weiterhin reibungslos laufen. Größere Investitionen und steigende Betriebskosten sind tabu. Für die Umstellung ist die enge Zusammenarbeit mit den Kunden essenziell.
Nach der Umstellung garantiert der mögliche Einsatz verschiedener Biomassearten für dasselbe Produkt einen sicheren Zugang zu Rohstoffen bei stabilen Preisen. Verschiedene Rohstoffe verhindern Produktionsengpässe durch Ernteausfälle oder saisonale Verfügbarkeit.


<h2>Kostengünstige Ein-Schritt-Synthese</h2>
Zucker aus Zellulose ist drei bis fünf Mal billiger als sein Pendant aus Stärke. Zucker aus Zellulose zu gewinnen, erforderte bisher einen dreistufigen Prozess: Enzymproduktion, Zellulose-Zucker-Verdau und Umwandlung von Zucker zum Produkt. Die in den einzelnen Schritten möglichen unterschiedlichen Reaktionsbedingungen vereinfachen das Mikrobendesign. Eine Mikrobensorte muss nur jeweils eine Aufgabe erledigen. Der Nachteil liegt in den höheren Prozesskosten.
Mikrobiologisches und genetisches Wissen über thermotolerante Mikroben öffnen neue Wege für anspruchsvollere, aber kostengünstigere Ein-Schritt-Synthesen. Die für den Zelluloseverdau notwendigen Enzyme werden in einem Reaktor von denselben Mikroben produziert, die den entstehenden Zucker fermentieren. Die nicht mehr notwendige separate Enzymproduktion senkt die Enzymkosten auf Null. Der Anteil der Enzym- an den gesamten Prozesskosten liegt zwischen 25 % und 40 %.


<h2>Aufsteiger Bio-Bernsteinsäure</h2>
Einige Chemikalien werden bereits auf Basis nachwachsender Rohstoffe im kommerziellen Maßstab hergestellt, etwa Ethanol, Milchsäure, 1,3-Propandiol und Bernsteinsäure.
Milchsäure steckt in nachhaltig hergestellten Verpackungen auf Basis von Polymilchsäure. Die Produktion biobasierter Polymilchsäure wird von jährlich 0,4 auf fast 1 Mio. Tonnen bis zum Jahr 2020 steigen.1
Bernsteinsäure auf Basis nachwachsender Rohstoffe ist der Aufsteiger unter den biobasierten Basischemikalien. Die biotechnische Produktion wird in diesem Jahr die erdölbasierte übersteigen: Mindestens vier Produktionen (BASF/Purac, DSM/Roquette, Bioamber und Myriant) mit Jahreskapazitäten von 10 000 bis 15 000 Tonnen sollen in Betrieb gehen. Bernsteinsäure ist beispielsweise Intermediat für Butanol, das unter anderem zu Elasthan weiterverarbeitet wird.
Jörg Riesmeier ist promovierter Biochemiker und Molekularbiologe. Er ist seit dem Jahr 2010 CEO der Direvo Industrial Biotechnology. Zuvor arbeite er in den USA für die Venture-Capital-Firmen LSP, Inc. und Burrill &amp; Co. Nach seiner Promotion gründete und leitete er die Planttec Biotechnologie, die im Jahr 2000 an Bayer Cropscience ging. <a href="mailto:joerg.riesmeier@direvo.com">joerg.riesmeier@direvo.com</a>


<h2>Französische Zusammenarbeit</h2>
In Frankreich hat das “Labor für extreme Bedingungen und Werkstoffe” zusammen mit dem “Zentrum für chaotische Systeme” Superkondensatoren mit Kernspinresonanzspektroskopie untersucht: Die Elektronenladungen sind in solchen Kondensatoren mit chaotischer Kohlenstoffstruktur besser verteilt als in herkömmlichen. Mit Superkondensatoren gewinnen z. B. Kraftfahrzeuge Bremsenergie zurück.


<h2>Ersatzteil-Bedarfsdeckung</h2>
Das Projekt “GET — Geregelte Ersatzteil-Bedarfsdeckungs-Strategien” des International Performance Research Institute in Stuttgart untersucht die systematische Auswahl und Überprüfung von Ersatzteil-Bedarfsdeckungs-Strategien. Daraus ergaben sich Kombinationsmöglichkeiten solcher Strategien. Die Ergebnisse der Studie helfen Unternehmen zu prüfen welche Ersatzteil-Bedarfsdeckungs-Strategien für sie geeignet sind. BR
<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.ersatzteilstrategien.de" target="_blank">www.ersatzteilstrategien.de</a></ext-link>


<h2>Wissenschaftler oder Metzger?</h2>
Jemand stellt auf einer Party die Gäste vor: den Wissenschaftler, die Prostituierte, den Banker, die Toilettenfrau, den Metzger und den Bestatter. “Wen wollen Sie besonders gern kennen lernen”, fragte die Zeitschrift Chrismon. Über 1000 Befragte durften bis zu drei Berufe nennen. Fast die Hälfte (46 %) wählte den Banker. 41 % bevorzugten den Metzger und 40 % wollten mit dem Wissenschaftler ins Gespräch kommen. 54 % der Befragten mit Volksschulabschluss und Lehre wählten den Metzger vor dem Banker und dem Bestatter. Dagegen nannten 47 % der Befragten mit Abitur den Wissenschaftler am häufigsten, an zweiter Stelle den Bestatter, gefolgt von Banker sowie Prostituierter gleich auf.
<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.chrismon.de" target="_blank">www.chrismon.de</a></ext-link>



<ul>
<li>
1 

Market and Market, Global Renewable Chemicals Market, 2010.
</li>
<li>
2 

VDI Technologiezentrum, Biomasse — Rohstoff der Zukunft für die chemische Industrie, 2011.
</li>
<li>
3 

 
H. Bengs, 
<source>Nachr. Chem. 
(2012), 
60, 
659.
</li>
<li>
4 

Nova Institut, Market Study on Bio-based Polymers and Plastics in the World, 2013.
</li>
</ul>

Artikel

Biologisch basierte Basismoleküle

Chemical Building Blocks, also Basismoleküle zum Aufbau höherwertiger Chemikalien oder Produkte, werden zunehmend aus biogenen nachwachsenden Rohstoffen und deren Abfallprodukten hergestellt. Zu dieser Biomasse gehören zucker- und stärkehaltige Stoffe wie Mais, Zuckerrohr und Weizen, aber auch ni...

Das chemische Kräfteverhältnis hat sich global verändert. Nach zweistelligen Wachstumsraten in der letzten Dekade war die chemische Industrie in China mit einem Umsatz von 735 Mrd. Euro der weltweit größte Markt im Jahr 2011, gefolgt von den USA (409 Mrd. Euro), Japan (175 Mrd. Euro) und Deutschland (156 Mrd. Euro).1 Im gesamteuropäischen Markt mit einem Volumen von 539 Mrd. Euro erwirtschaftete Deutschland mit 29 % zwar weiterhin den Löwenanteil, jedoch ist Europas globaler Marktanteil in den vergangenen zwei Jahrzehnten von 36 % auf 20 % gesunken.1 Ähnliche Rückgänge verzeichnen andere Industrieländer wie die USA und Japan, was vordergründig auf die Zunahme von Produktionskapazitäten in den Wachstumsmärkten zurückzuführen ist.


<h2>China produziert fast die Hälfte aller Chemikalien weltweit</h2>
Insbesondere der zunehmende Wohlstand der Mittelschicht in China und Indien — immerhin lebt dort über ein Drittel der Weltbevölkerung — hat zu verstärkter Nachfrage geführt. Trotz stark gestiegener Arbeitskosten2 und politischer Einflussnahme,3 insbesondere in China, konnten auch westliche Unternehmen dieser Marktattraktivität nicht widerstehen. Sie haben dort in moderne Produktionsanlagen investiert, weil sie sich hohe Gewinne erhoffen.4
Neben neuen Produktionskapazitäten auf Wachstumsmärkten sind auch in Regionen mit hohen Öl- und Gasvorräten, vorrangig der Arabischen Halbinsel, neue Großanlagen entstanden. Ein geschätzter Kostenvorteil von 350 US-Dollar je Tonne bei organischen Basischemikalien deutet darauf hin, dass diese Region zum Hauptproduzenten von Basischemikalien wie Polyethylen, Polypropylen und Ethylenglycol wird.5


<h2>Produktion von Basischemikalien in Deutschland unverändert</h2>
Die chemische Industrie in Deutschland hat im Jahr 2011 knapp 19 Mio. Tonnen fossile, 2,7 Mio. Tonnen nachwachsende und zirka 20 Mio. Tonnen mineralische Rohstoffe verarbeitet.6 Die daraus resultierenden Produktionsmengen von Basischemikalien in den Jahren 2000 bis 2010 weisen eine unveränderte, bei einigen Chemikalien leicht abnehmende Tendenz auf (Abbildung). Dies geht damit einher, dass die neu gebauten Anlagen in den genannten Wachstumsregionen großzügig dimensioniert sind und somit auch die Industrieländer teilweise mitversorgen können. Dies ist auch der Tatsache zu entnehmen, dass in Deutschland im Jahr 2010 mehr Basischemikalien verbraucht als produziert wurden.7


<h2>Investitionen nehmen zu</h2>
Unabhängig von den Produktionsmengen in Deutschland wurden seit dem wirtschaftlichen Rückgang im Jahr 2009 rege Investitionsaktivitäten der Chemieunternehmen publiziert. Sowohl in den Segmenten der Basischemie, der Hochleistungskunststoffe, der Spezialchemie als auch bei den Endprodukten wurden Kapazitäten erweitert oder aufgebaut.
Zirka ein Drittel der Investitionen findet in der Basischemie statt, wobei der Großteil davon Neuanlagen sind. Mit einem Investitionsvolumen von 1,5 Mrd. Euro ragen dabei die Aktivitäten um die Isocyanatanlagen heraus. Neben der Kapazitätserweiterung der Anlage am Standort Brunsbüttel um 220 000 Jahrestonnen (Tabelle, Nr. 5) werden in Dormagen (Nr. 4) und Ludwigshafen (Nr. 2) Toluol-2,4-diisocyanat-Anlagen mit Kapazitäten von je 300 000 Jahrestonnen neu gebaut. Weitere Investitionen resultieren aus den dazu nötigen Vorstufen. So wird in Dormagen ein neuer Steamreformer für 100 Mio. Euro gebaut (Nr. 6). In Ludwigshafen gibt es zudem Erweiterungen der Produktionen von Salpetersäure, Chlor, Synthesegas, Wasserstoff (Nr. 36) und den Bau einer neuen Salzsäure-Recyclinganlage. Neben den drei Isocyanatanlagen finden zwei richtungsweisende Investitionen in Chlor-Alkali-Elektrolysen statt. So wird die bestehende Anlage in Höchst (Nr. 8) auf die neuste Membrantechnologie umgestellt und gleichzeitig die Kapazität um etwa 50 % erhöht. Am Standort Leuna wurde eine neue Anlage mit einer jährlichen Kapazität von 15 000 Tonnen Chlor im Juli 2012 in Betrieb genommen (Nr. 26). Weitere nennenswerte Investitionen in der Basischemie sind die Neuanlagen für Formalin (150 000 Tonnen, Nr. 28) in Krefeld-Uerdingen und die PE-HD-Anlage (320 000 Tonnen, Nr. 34) in Münchmünster.
In der Spezialchemie finden vorrangig Erweiterungen statt, deren Investitionsvolumen je Tonne Produktionskapazität aufgrund der meist technisch anspruchsvollen Prozessführung verhältnismäßig hoch sind. Die Kapazitätserweiterungen der 1-Buten-Anlage in Marl (Nr. 1) und die VFA-Aktivitäten in Ludwigshafen (Nr. 3) erfordern einen jeweils dreistelligen Millionenbetrag. Weitere Projekte lösen ebenso nicht unbeträchtliche Investitionen im zweistelligen Millionen-Eurobereich aus: Die PVA-Anlage über knapp 60 Mio. Euro in Höchst (Nr. 18) oder die S-SBR-Anlage mit etwa 90 Mio. Euro in Schkopau (Nr. 21) sind Beispiele dafür.
Das Nischensegment der Hochleistungskunststoffe bildet die kleinste Gruppe, wobei auch hier Erweiterungen den Hauptteil ausmachen. Auffallend sind die PA6-Aktivitäten in Leuna (50 000 Tonnen, Nr. 17) und Ludwigshafen (21 000 Tonnen, Nr. 19). Hervorzuheben ist die mit Fluorchemie verbundene Investition von über 60 Mio. Euro in Gendorf (Nr. 30).
Die meisten Investitionen finden im Segment der Endprodukte in Form von Kapazitätserweiterungen statt. Diese Produkte erfahren aus chemischer Sicht meist keine Stoffumwandlung mehr, gehen in aller Regel an Abnehmerindustrien und tragen Markennamen. So finden sich in diesem Segment etwa vielfach verwendbare funktionalisierte C4-Körper wie Glissopal (Nr. 35) oder Polyvest HT (Nr. 13). Ebenso Flammschutzmittel wie Exolit OP (Nr. 22), Katalysatoren wie TEA für Ziegler-Natta-Verfahren (Nr. 27) oder Methansulfonsäure (Nr. 24). Daneben wird auch in neue, innovative Produkte investiert, wie in die Produktion von Kohlenstoff-Nanoröhren (Baytube, Nr. 37), Membranelemente aus spiralförmig gewickeltem Mischpolyamid für die Wasserreinigung (Lewabrane, Nr. 31) oder das biologisch abbaubare Ecoflex und Ecovio (Nr. 33).


<h2>Gewappnet für den Wettbewerb</h2>
Die Daten der Tabelle beziehen sich lediglich auf bereits veröffentlichte Investitionen. Sie weisen darauf hin, dass der ökonomische Aufschwung seit dem Jahr 2009 zu gestiegenen Investitionsaktivitäten in mehreren Chemiesegmenten in Deutschland geführt hat.
So finden entgegen vielfacher Vorhersage weiterhin Investitionen in der Basischemie statt. Hauptsächliche Triebkraft der Investitionen ist die Sicherung der globalen Wettbewerbsfähigkeit der jeweiligen Anlage, weswegen in nahezu jeder Investition die Integration neuester Technologie Bestandteil ist. Ebenso trotzt die Attraktivität des Marktes vermeintlich hohen Energiekosten, was von den beiden nicht unerheblichen Investitionen in energieintensive Chlor-Alkali-Elektrolysen abgeleitet werden kann.
Den Investitionen in den anderen drei Segmenten ist gemein, dass es sich meist um eine anspruchsvolle Prozessführung handelt, die hoch qualifizierte Mitarbeiter unterschiedlichster Disziplinen erfordert. Oft sind es auch Prozesse, die noch Potenzial für Ausbeute- und Effizienzsteigerungen bieten oder eines besonderen Augenmerks bezüglich deren Schutz des geistigen Eigentums bedürfen.
Aufgrund der globalen Wettbewerbssituation wird es auch weiterhin Verlagerungen von Produktionskapazitäten mit sensibler Kostenstruktur aus den Industrieländern geben.8 Aufgrund spezifischer Stärken, insbesondere der hohen Innovationskraft, Produktivität und Ressourceneffizienz wird neben den USA und Japan auch Deutschland ein attraktiver Produktionsstandort für die chemische Industrie bleiben.
Thorsten Bug ist seit dem Jahr 2008 Senior Manager Chemicals bei der Wirtschaftsförderungsgesellschaft Germany Trade &amp; Invest, eine dem Wirtschaftsministerium zugeordnete Bundes-GmbH. Davor war er fünf Jahre selbstständig in der strategischen Vermögensberatung. Bug promovierte im Jahr 2003 nach dem Chemiestudium in Regensburg bei Herbert Mayr an der LMU München. Zuvor hatte er eine Ausbildung als Chemielaborant absolviert. <a href="mailto:thorsten.bug@gtai.com">thorsten.bug@gtai.com</a>.



<ul>
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1 

Cefic (Hrsg.) 2012: Facts and Figures.
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<li>
2 

Accenture (Hrsg.) 2012: Global Shifts in Industrial Investment. How chemical companies can harness the opportunities.
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<li>
3 

A.T. Kearney (Hrsg.) 2012: Chemical Industry Vision 2030: A European Perspective.
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4 

 
</li>
<li>
4a 

Roland Berger (Hrsg.) 2011: A different world — Chemicals 2030;.
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<li>
4b 

Booz &amp; Company (Hrsg.) 2012: Chemicals Industry Perspective.
</li>
<li>
5 

KPMG (Hrsg.) 2010: The Future of the European Chemical Industry.
</li>
<li>
6 

Verband der Chemischen Industrie (Hrsg.) 2012: Die deutsche chemische Industrie 2030.
</li>
<li>
7 

Verband der Chemischen Industrie (Hrsg.) 2012: Basischemie 2030.
</li>
<li>
8 

 
H. Utikal, 
<source>Perspektivesmagazine 
(2012), 
1, 
7–<lpage>10.</lpage>
</li>
</ul>

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Biologisch basierte Basismoleküle

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