Bio-Glycolsäure für Lebensmittelverpackungen

Hintergrund und Zielsetzung

Zurzeit werden ca. 1,8 Millionen Tonnen Barrierefolien hergestellt, die hauptsächlich für Lebensmittelverpackungen verwendet werden. Oft sind diese schichtweise aus mehreren Kunststoffen und Metallen aufgebaut, damit das so verpackte Lebensmittel geschützt ist. Der Nachteil dieser Folien ist, dass sie aufwendig in der Herstellung sind und sich schwierig recyceln lassen.

Ein alternativer und innovativer Kunststoff, der sehr gute Barriere-Eigenschaften aufweist, ist Polyglycolsäure. Dessen Hauptbestandteil Glycolsäure kann durch Oxidation von Ethylenglycol gewonnen werden. Nutzt man biobasiertes Ethylenglycol, kann ein vollständig biobasierter Kunststoff hergestellt werden, der zudem biologisch abbaubar ist.

In einem EU-Verbundprojekt ist es die Aufgabe des Thünen-Instituts, die Oxidation von Bio-Ethylenglycol und die Aufreinigung der hergestellten Bio-Glycolsäure zu optimieren. Dabei kann das Institut bereits auf umfassende Erfahrung im Bereich der Oxidation von biobasierten Stoffen wie Glucose, Tenside und Hydroxymethylfurfural zurückgreifen. Die gewonnene Bio-Glycolsäure wird an die Projektpartner weitergegeben, die daraus Verpackungsfolien herstellen.

Vorgehensweise

Zunächst erfolgt die Oxidation von Ethylenglycol mit Sauerstoff und mit Hilfe von goldhaltigen Katalysatoren zu Glycolsäure im wässrigen Medium. Im Anschluss gilt es, ein praktikables Verfahren für die Abtrennung der Glycolsäure und dern Aufreinigung zu finden, sodass eine hohe Reinheit erhalten wird, wie es für die Polymerisierung erforderlich ist.

Ergebnisse

Wir konnten einen stabilen, robusten und reproduzierbaren chemokatalytischen Prozess zur Herstellung von Glycolsäure aus Monoethylenglycol unter industriell relevanten Reaktionsbedingungen auf Basis eines niedrig beladenen Gold-Platin-Katalysator (0,1 Gew.-% AuPt(9:1)-CeO₂) entwickeln. Durch die Optimierung der Katalysatorpräparation, der Katalysatorzusammensetzung und der Reaktionsbedingungen wie pH-Wert, Temperatur und MEG-Ausgangskonzentration konnten wir GA in hoher Ausbeute (≥ 80 %) und guter Selektivität (≥ 90 %) herstellen. Nicht reagiertes Monoethylenglycol kann nach der Isolierung von Glycolsäure in der darauffolgenden Reaktion eingestzt werden, wodurch sich die Gesamtausbeute an Glycolsäure auf > 90 % erhöht. Der Katalysator zeigt in wiederholten Einsätzen eine gute Langzeitstabilität. Die Verwendung biobasierten Monoethylenglycols führt zu denselben Ergebnissen wie bei Verwendung von petrostämmigem Monoethylenglycol.

Weiterhin haben wir eine geeignete Methode zur Isolierung und Reinigung von Glycolsäure aus der Reaktionslösung entwickelt. Die Methode basiert auf der Kombination von Elektrodialyse, Ausfällung und Ionentausch. Dabei werden nicht-reagiertes Monoethylenglycol, Natrium-Ionen und Oxalsäure von der Glycolsäure abgetrennt, um einerseits den Gesamtumsatz durch Einsatz von nicht-reagiertem Monoethylenglycol und damit auch die Gesamtausbeute an Glycolsäure auf > 90 % zu erhöhen sowie Natrium-Ionen und Oxalsäure als Störstoffe für eine nachfolgenden Polymerisation von Glycolsäure zu entfernen.

Als Endprodukt wird eine wässrige 70 %ige Lösung von Glycolsäure erhalten, die in dieser Form ohne weitere Aufreinigung für die Polymerisation zu Polyglycolsäure eingesetzt werden kann. Der entwickelte Prozess weist gegenüber anderen Verfahren zur Herstellung von Glycolsäure verschiedene Vorteile auf und kann somit in Summe erfolgreich gegenüber diesen konkurrieren.