Biobasierte Dicarbonsäuren

Hintergrund und Zielsetzung

Rund 50 Mio. Tonnen an erdölbasierten PET (Polyethylenterephthalat) werden weltweit jedes Jahr produziert, Tendenz steigend. Damit steht PET auf Platz 4 der am meisten produzierten Kunststoffe.  Aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit zu PET ist Polyethylenfuranoat (PEF) der vielversprechendste Kandidat als biobasiertes Alternativprodukt. Im Vergleich zu PET weist PEF sogar bessere Eigenschaften auf. Da PEF weniger Gas durchlässt als PET, werden die Getränke wirksamer vor Luftsauerstoff geschützt. Auch der Sprudel hält länger, da das CO₂ nicht so schnell entweicht.

Der überwiegende Bestandteil, die Furandicarbonsäure, kann in einer einfachen Reaktion aus 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) gewonnen werden. Problematisch ist jedoch, dass seit Jahrzehnten vergeblich versucht wird, aus Zuckern kostengünstig und effektiv HMF herzustellen. Mit unserem innovativen und zum Patent angemeldeten Forschungsansatz wollen wir dieses Problem lösen und damit einen wichtigen Beitrag auf dem Weg zu einer biobasierten Wirtschaft leisten.

EcoDesign bildet die Basis, um umweltrelevante Aspekte in den Design- und Entwicklungsprozess von Produkten und Produktsystemen zu integrieren. Basierend auf Ökobilanzdaten und Kostenanalysen können Design-Modifikationen und Produkt-Weiterentwicklungen schon im Vorfeld hinsichtlich ihrer Umweltwirkungen und Kosten untersucht werden.

Unter Berücksichtigung technischer und ökonomischer Vorgaben (z.B. Materialauswahl und Machbarkeit) können ökoeffiziente Design-Varianten ermittelt werden. Eine Betrachtung des gesamten Produktlebenszyklus ist hierfür von hoher Bedeutung, um eine Verlagerung von Kosten und Umweltproblemen über die einzelnen Lebenszyklusphasen hinweg zu verhindern.

Vorgehensweise

Im Projektteil der Prozessentwicklung wird auf den Ergebnissen des Projekts „HMF aus Zuckern“ aufgebaut. Der Schwerpunkt der Untersuchungen in diesem Projektteil wird in der Abtrennung und Reinigung des Zwischenprodukts HMF und des nachfolgenden Oxidationsprodukts Furandicarbonsäure (FDCA) liegen. Es werden verschiedene physikalische Verfahren wie z.B. Adsorption, Kristallisation, Destillation untersucht und hinsichtlich ihrer Effizienz und erzielbaren Produktreinheit miteinander verglichen. Anschließend wird die gewonnene Furandicarbonsäure bzw. ihre Derivate zusammen mit biobasiertem Ethylenglycol zu PEF umgesetzt. Für diese Polykondensationsreaktion sind geeignete Prozessparameter zu identifizieren und die hergestellten Polymere in ihren Eigenschaften zu charakterisieren.

Die Prozessentwicklung wird durch begleitende Ökoeffizienzanalysen unterstützt, um bereits in der frühen Entwicklungsphase sicherzustellen, dass insbesondere Umweltaspekte hinreichend berücksichtigt werden. Es werden verschiedene Verfahrensoptionen in Bezug auf ihre Umweltauswirkungen, Kosten und Zielkonflikte analysiert, um sowohl die Kosten als auch die Umweltauswirkungen so weit wie möglich zu minimieren.

Daten und Methoden

Bei der Ökoeffizienzanalyse werden Ökobilanzen parallel zu Kostenberechnungen durchgeführt. Dafür wird die UMBERTO-Software verwendet. Soweit möglich werden die für die Analyse nötigen Daten direkt erhoben, Datenlücken werden entweder durch Life Cycle Assessment-Datenbanken, wie z.B. Ecoinvent, oder durch Literaturquellen geschlossen.

Ergebnisse

Ziel des Projektes ist es einerseits, einen effizienten und wirtschaftlichen Prozess zur Herstellung von PEF via HMF und FDCA aus Zuckern zu entwickeln. Damit stünde ein vollständig biobasierter Ersatz für einen der wichtigsten Kunststoffe, das  PET, zur Verfügung.

Zusätzlich soll eine ökoeffizienz-basierte Entscheidungshilfe für die Prozessentwicklung von FDCA entwickelt werden, die entweder direkt oder modifiziert auch für die Prozessentwicklung ähnlicher biobasierter Chemikalien verwendet werden kann.