Industrie & Technik

Prof.Dr.

<p>Wohin steuert die Chemie? Wenn wir einen Blick in die Zukunft werfen wollen, helfen uns vielleicht die Anmeldezahlen für Patente. Diese stagnieren im Sektor Chemie weltweit seit Jahren und sind in Deutschland sogar rückläufig. Ist in der Chemie also alles schon erfunden, was es zu erfinden gibt? Liegt die Zukunft unserer Branche nicht mehr im Molekül, sondern in den weiterverarbeitenden Schritten der Wertschöpfungskette?</p><p>Woher kommt das Neue? Und wie finden wir es am besten? Oder kommt es etwa von selber zu uns? Mehr Interdisziplinarität, mehr Kooperation, mehr Mauern einreißen – diese Worthülsen haben wir in den Sonntagsreden der Frühstücksdirektoren zur Genüge gehört. Besser wird es trotzdem nicht. Warum? Hindert uns die „Tyrannei des Bestehenden“ so beharrlich daran, das Neue zu erkennen, zu begrüßen und zu wollen? Sucht man abseits der eingetretenen Pfade in der Literatur weiter, dann finden sich Hinweise, dass Innovationen, gerade die viel beschworenen disruptiven, eher an der Peripherie entstehen. Also abseits der im beleuchteten Zentrum stehenden etablierten Unternehmen. Schlechte Nachrichten für die Platzhirsche der Chemieindustrie also? Vielleicht. Denn wer keine Fehler macht, der macht noch lange nicht alles richtig.</p><p>Also doch mehr Freiräume für die Querdenker in den Unternehmen? Wie in den Sonntagsreden beschworen? Aber wer und wo sind diese Querdenker denn? Schauen wir einmal in den Elfenbeinturm der Wissenschaft, dann sehen wir zahlreiche Große unserer Zunft, Grenzgänger, die neben der Wissenschaft auch künstlerisch tätig waren oder sind: Albert Einstein, Richard Feynman, Roald Hoffmann oder George Whitesides, um nur einige zu nennen. Sind große Geister etwa immer schon Grenzgänger gewesen? Ist dies das Geheimnis? Schön, dann kultivieren wir diese grenzüberschreitenden Denkkulturen eben, dann wird das schon mit der Innovation und dem Neuen.</p><p>Wie aber gehen wir dann damit um, dass Studierende der Chemie sich im Jahr 2016 darüber beklagen, dass ihnen im Studium Zeit und Muße fehlen, sich mit fachfremden Themen zu befassen, sich interdisziplinär zu bilden? Schmieden uns die Geister, die wir in der schönen neuen Welt der qualitätsgesichert akkreditierten Bachelor- und Masterstudiengänge gerufen haben, am Ende in der Tyrannei des Bestehenden fest? So wie Prometheus (aus dem Griechischen übersetzt übrigens „der Vorausdenker“) der Sage nach im Kaukasus angeschmiedet wurde?</p><p>Wohin steuert die Chemie? Wo ist das Neue? Wo sind die großen Geister der Zukunft? Und was tun wir, um das Neue und diese großen Geister zu erkennen, zu begrüßen – und auch wirklich zu wollen?</p><p><a href="mailto:daubenfeld@hs-fresenius.de">daubenfeld@hs-fresenius.de</a></p><p>Thorsten Daubenfeld ist Professor für physikalische Chemie und Studiendekan Wirtschaftschemie an der Hochschule Fresenius. Er engagiert sich im Vorstand der Vereinigung für Chemie und Wirtschaft (VCW). In dieser Kolumne nimmt er uns mit auf die Reise in die Welt der Wirtschaftschemie. Foto: JohnMJohn</p><div><img src="https://media.graphcms.com/rbmBqzwTeyMxNdpSRzOt">

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Meldung

Die Ecke des Wirtschaftschemikers: Selbstbetrachtungen zur Innovation

Wohin steuert die Chemie? Wenn wir einen Blick in die Zukunft werfen wollen, helfen uns vielleicht die Anmeldezahlen für Patente. Diese stagnieren im Sektor Chemie weltweit seit Jahren und sind in Deutschland sogar rückläufig. Ist in der Chemie also alles schon erfunden, was es zu erfinden gibt?...

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<p>Die Endlichkeit fossiler Rohstoffe und ihr Effekt auf das Klima verstärkten in den letzten Jahren die Suche nach Rohstoffalternativen. Dabei nutzen immer mehr biotechnische Ansätze CO- und CO<sub>2</sub>-reiche (Industrie-)Abgase als erneuerbare Rohstoffe (Abbildung).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/AoUxuRKhTEGVWbpYXvln"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Prinzip der Kreislaufführung von Kohlenstoff: natürlicher Kreislauf (links) und technische Nutzunug (rechts); grau: petrochemische Wertschöpfungsketten; grün: der Kohlenstoffkreislauf schließt sich, wenn Biomasse als Chemierohstoff dient; direkte Nutzung von CO und CO<sub>2</sub> über chemische oder Biokatalyse (blau) ermöglicht eine Kreislaufführung ohne Nahrungsmittelkonkurrenz.</figcaption></figure>
<h2>Heutiger Stand der C1-Biokonversion</h2><p>Als Rohstoffquellen für CO<sub>2</sub> und CO oder Synthesegas (CO + H<sub>2</sub>) kommen infrage: Industrieemissionen aus Chemieprozessen, Stahl- und Zementherstellung, Energiewirtschaft, biotechnischen Produktionen und Biogasanlagen. Zudem lassen sich organische Abfälle aus industriellen Produktionen, Siedlungsabfälle und Reststoffe aus der Land- und Forstwirtschaft in CO und CO<sub>2</sub> überführen.</p><p>Herzstück der C1-Biokonversion ist die Gasfermentation. Das aufbereitete Gas wird hierzu in einen Bioreaktor geleitet, in dem sich Mikroorganismen oder Enzyme als Biokatalysatoren in einem wässrigen Medium befinden. Diese wandeln die Gase in Zwischenprodukte der chemischen Industrie wie Ethanol oder Essigsäure. Diese Organismen sind urzeitliche Lebensformen, deren Stoffwechsel stark von denen gewöhnlicher Fermentationsorganismen abweichen.</p><p>Die chemoautotrophen Organismen, etwa Acetogene (Clostridien) und Methanogene, setzen CO und CO<sub>2</sub> mit H<sub>2</sub>O und H<sub>2</sub> zu kurzkettigen Kohlenstoffverbindungen um.</p><p>Photoautotrophe Organismen wie Cyanobakterien und Mikroalgen bilden aus CO<sub>2</sub> und H<sub>2</sub>O mit Sonnenlicht Zucker und andere organische Verbindungen.</p><p>Die Tabelle (S. 36) zeigt Ansätze der C1-Biokonversion. Diese beruhen überwiegend auf Clostridien sowie Cyanobakterien und Mikroalgen als zentrale Biokatalysatoren. Zielprodukt ist das leicht zugängliche Stoffwechselprodukt Ethanol, das sich als Kraftstoff und Basischemikalie eignet. Ein Beispiel ist die Demonstrationsanlage, die der Synthesegasfermentations-Pionier Lanzatech und der Stahlhersteller Arcelormittal in Gent bauen wollen.<sup>1)</sup></p><table-wrap>

<label>Table 1</label><h2>Ansätze zur biotechnischen Konversion von CO und CO<sub>2</sub></h2><img src="https://media.graphcms.com/6a2c2o17S7azPSumlNTd">

</table-wrap><p>Immer komplexere Moleküle sollen durch C1-Biokonversion entstehen. So arbeitet das niederländische Start-up Photanol an photosynthetischen Prozessen, um Plattformchemikalien<sup>2)</sup> und Süßstoffe herzustellen.<sup>3)</sup> In diesem Jahr soll eine Demoanlage starten.<sup>4)</sup></p><h2>Probleme auf dem Weg zur industriellen Anwendung</h2><p>Trotz einiger Vorzeigeprojekte ist der Weg der C1-Biokonversion in die industrielle Anwendung noch weit. Die Prozesse müssen wirtschaftlicher arbeiten, damit sie mittelfristig im Wettbewerb mit etablierten petrochemischen Prozessrouten sowie solchen auf Basis von Zucker- und Ölfermentationen bestehen. Limitierend wirken die noch geringe technische Reife und Prozesseffizienz. Der Ölpreis verschärft den Wettbewerbsdruck. Es fehlt zudem an Prozesskonzepten, die auf die Anforderungen der Gasfermentation abgestimmt sind, und an tragfähigen Geschäftsmodellen. Das limitierte Produktspektrum beschränkt ebenfalls die Wirtschaftlichkeit.</p><h2>Rohstoffströme, Marktvolumen und Biokatalysatoren</h2><p>Trivial, aber oft unterschätzt bei der Prozessentwicklung ist, ob das verfügbare Gasvolumen mit dem Zielmarkt kompatibel ist. So erfordern große Abgasströme aus der Stahlherstellung, aus Kraftwerken oder großvolumigen Chemieprozessen entsprechend großvolumige Gasfermentationsprozesse und Zielmärkte wie Bulkchemikalien. Kleinvolumige Abgasströme etwa aus Biogasanlagen oder Verbrennungsprozessen können nur kleinere Märkte wie Feinchemikalien und Spezialitäten bedienen. Direkt an diese Entscheidung ist die Wahl des Biokatalysators gekoppelt, da dieser die Umsatzrate und damit auch das Prozessvolumen bestimmt.</p><p>Acetogene sind die bedeutendsten Biokatalysatoren für die Gasfermentation. Sie können sowohl CO als auch CO<sub>2</sub> gut umwandeln. Die damit zugänglichen C2-C4- Moleküle eignen sich als Bulkchemikalien mit großen Marktvolumina. Nachteilig sind das enge Produktspektrum und die niedrige Produktivität.</p><p>Mit Mikroalgen und Cyanobakterien lassen sich CO<sub>2</sub>-Ströme selbst mit Verunreinigungen, etwa Schwefelverbindungen, und niedrigem CO<sub>2</sub>-Gehalt nutzen. Diese Biokatalysatorengruppe macht komplexere Moleküle wie Lipide und langkettige Alkohole mit höherer Wertschöpfung zugänglich. Die Photosynthese als lichtabhängige Reaktion limitiert das Reaktor- und Produktvolumen. Deshalb eignen sich Mikroalgen und Cyanobakterien eher, um höherwertige Verbindungen mit kleinem Marktvolumen zu produzieren als für Bulkchemikalien und Kraftstoffe.</p><h2>Integrierte Prozessentwicklung</h2><p>Um das Produktspektrum zu erweitern und die Produktivität zu verbessern, konzentrieren sich viele Arbeiten darauf, die Biokatalysatoren zu modifizieren. Ein Prozessdesign, das auf die C1-Biokonversion abgestimmt ist, berücksichtigen die Entwickler meist erst später in der Prozessentwicklung. Gerade hier ist viel Optimierungspotenzial.</p><p>Gasförmige Rohstoffe stellen andere Anforderungen an das Reaktor- und Prozessdesign als Zucker und Öle. Die frühzeitige interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Molekularbiologen und Prozessingenieuren kann helfen, Prozesslimitierungen wie den Gastransfer und seine Auswirkungen auf den Stoffwechsel frühzeitig zu erkennen und das Reaktor- und Prozessdesign optimal hierauf abzustimmen. Eine enge Zusammenarbeit von Chemikern und Biotechnologen hilft, wirtschaftliche Wertschöpfungskonzepte zu entwickeln.</p><h2>Geschäftsmodell: höherwertige Chemikalien</h2><p>Das C2-C4-Produktspektrum, das mit Acetogenen direkt zugänglich ist, produzieren Unternehmen mit anderen Methoden kostengünstiger. Eine weiterführende Konversion in komplexere Moleküle wie Grundbausteine von Kunststoffen oder Spezialitäten kann die Wertschöpfung von C1-Biokonversionsprozessen verbessern. Das Konzept hat großes Potenzial für Demonstrationsprojekte, da die Markt- und Prozessvolumina ähnlich sind und so einen frühzeitigen Markteintritt ermöglichen. Werden im Lauf der Prozessentwicklung die Effizienz verbessert und die Kapazitäten erweitert, lassen sich nach und nach mit den Zwischenprodukten weitere Märkte erschließen. Spezialitäten sind somit Türöffner für Märkte wie Bulkchemikalien und Kraftstoffe.</p><h2>Fazit</h2><p>Die C1-Biokonversion lässt sich an vielen Stellen optimieren. Es gilt, die interdisziplinäre und branchenübergreifende Zusammenarbeit auszubauen und frühzeitig die großtechnischen Erfahrungen der (chemischen) Industrie einzubinden.</p><p>Cornelia Bähr ist wissenschaftliche Beraterin beim Cluster Industrielle Biotechnologie (CLIB2021). Der Cluster treibt neue Wertschöpfungsketten in der Bioökonomie und Kreislaufwirtschaft voran. In diesem Kontext beschäftigt sich Bähr mit Entwicklungs- und Vermarktungsmöglichkeiten von biotechnischen Prozessen zur Nutzung von CO<sub>2</sub> und CO. <a href="https://www.clib2021.de" target="_blank">www.clib2021.de</a>; baehr@clib2021</p><h2>Quergelesen</h2><p>Ansätze zur biotechnischen Nutzung von CO und CO<sub>2</sub> sind auf dem Weg zur Kommerzialisierung.</p><p>Sie müssen auch aufgrund eines niedrigen Ölpreises noch wirtschaftlicher werden.</p><p>Schlüssel für die industrielle Umsetzung sind die Verlängerung der Wertschöpfungskette hin zu höherwertigen Chemikalien und eine integrierte Prozessentwicklung. Diese muss neben der Modifikation der Biokatalysatoren ein Fermentationsdesign umfassen, das auf gasförmige Rohstoffe abgestimmt ist.</p>
<ul><h2>Literatur</h2><li>
<sup>1 </sup><a href="https://www.lanzatech.com/arcelormittal-lanzatech-primetals-technologies-announce-partnership-construct-breakthrough-e87m-biofuel-production-facility/" target="_blank">www.lanzatech.com/arcelormittal-lanzatech-primetals-technologies-announce-partnership-construct-breakthrough-e87m-biofuel-production-facility/</a> Zugriff 8.11.2016</li><li>
<sup>2 </sup><a href="http://photanol.com/wp-content/uploads/2014/09/29_e_Photanol_-partnership_news_release.pdf" target="_blank">http://photanol.com/wp-content/uploads/2014/09/29_e_Photanol_-partnership_news_release.pdf</a> Zugriff 8.11.2016</li><li>
<sup>3 </sup><a href="https://www.biobasedpress.eu/2015/06/avantium-and-photanol-are-doing-well/" target="_blank">www.biobasedpress.eu/2015/06/avantium-and-photanol-are-doing-well/</a></li><li>
<sup>4 </sup>A. D. van der Woude, R. Perez Gallego, A. Vreugdenhil, V. Puthan Veetil, T. Chroumpi, K. J. Hellingwerf, Microb. Cell Fact. 2016, 15, 60</li></ul>


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Die Ecke des Wirtschaftschemikers: Selbstbetrachtungen zur Innovation

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