Quelle: BLE, Thomas Stephan

Anwendungsbeispiele

• Nachwachsende Rohstoffe in der industriellen Biotechnologie
• Biobasierte Kunststoffe
• Bauprodukte
• Oleochemische Anwendungen
• Arznei- und Pharmapflanzen
• Cellulose und Stärke

Nachwachsende Rohstoffe in der industriellen Biotechnologie

Über die industrielle Biotechnologie können nachwachsende Rohstoffe breite Anwendungsgebiete als chemische Zwischenprodukte, Fein- und Spezialchemikalien, biobasierte Kunststoffe oder als Pharmaprodukte finden. Darüber hinaus sind biotechnologische Verfahren in vielen Fällen energie- und stoffeffizienter und damit umweltschonender als herkömmliche Verfahren. Die bereits biotechnologisch hergestellten Spezialchemikalien wie beispielsweise Aminosäuren, Vitamine und Kosmetika sind herkömmlichen Produkten aus klassischen chemischen Verfahren wirtschaftlich überlegen, insbesondere aufgrund der Vorteile im Reaktionsverfahren und durch Energieeinsparungen sowie durch Reduzierung von Abfällen und Emissionen. Weltweit werden deshalb schrittweise chemische Prozesse durch biotechnologische Prozesse ersetzt.

Begrenzte Biomassepotenziale machen eine effiziente Nutzung notwendig. Die Bioraffinerie ist ein integratives Gesamtkonzept für die biotechnologische, chemokatalytische und thermochemische Konversion nachwachsender Rohstoffe zu Chemikalien, Werkstoffen sowie Brenn- und Kraftstoffen unter möglichst vollständiger Ausnutzung der Biomasse. Durch eine biochemische Konversion (zum Beispiel Fermentation, Biokatalyse, Weiße Biotechnologie) mit angeschlossener Aufbereitung kann die eingesetzte Biomasse unter anderem zu Grund- und Feinchemikalien, Pharmazeutika oder Biopolymeren, Kraft- oder Brennstoffen verarbeitet werden. Parallel kann durch eine thermochemische Konversion ein Synthesegas erzeugt werden, das nach einer Reinigung zum Beispiel zu Kraft- und bei Bedarf Schmierstoffen, Grundchemikalien und Additiven umgewandelt werden kann.

Unter dem Begriff der Bioraffinerie können eine Vielzahl unterschiedlichster Konzepte zusammengefasst werden. Derzeit lassen sich zwei Entwicklungslinien unterscheiden. Beim "Bottom-up-Ansatz" sollen vorhandene Anlagen zur Erzeugung eines oder weniger Produkte (zum Beispiel Bioethanolanlage, Biodieselanlage, Biomassevergasungsanlage) in Bezug auf die einsetzbaren Biomassefraktionen, die erzeugten Produkte und/oder die Nutzung/Veredelung anfallender Nebenprodukte erweitert werden. Beim "Top-down-Ansatz" handelt es sich um Neukonzeptionen von hoch integrierten Anlagen zur abfallfreien Erzeugung einer großen Vielfalt unterschiedlichster Produkte für verschiedenartige Märkte aus den unterschiedlichsten Biomassefraktionen.

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Biobasierte Kunststoffe

Biobasierte Werkstoffe lassen sich unterscheiden in Biobasierte Kunststoffe, Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK) und Holz-Polymer-Werkstoffe

Der Marktanteil von biobasierten Kunststoffen liegt in Deutschland unter einem Prozent des Gesamtmarktes von 16,1 Millionen Tonnen, sie werden vor allem im Verpackungsbereich benötigt. Fast 33 Prozent der jährlich in Deutschland verbrauchten Kunststoffe sind Verpackungen. Rund 1,8 Millionen Tonnen davon entfallen auf kurzlebige Kunststoffverpackungen, wie Folien, Tragetaschen, Beutel, Säcke, Becher oder Cateringprodukte – Produkte also, die problemlos aus Stärkekunststoffen und Polylactiden hergestellt werden könnten.

Kunststoffverpackungen bieten somit ein sehr großes Potenzial für biobasierte Kunststoffe. Bereits jetzt werden rund 35 Prozent der jährlich circa 750.000 Kubikmeter hergestellten LooseFill-Verpackungschips aus Stärke hergestellt.

Auch im Gartenbau könnten perspektivisch jährliche Mengen von 12.000 bis 20.000 Tonnen an Pflanzgefäßen sowie 1.500 Tonnen Mulchfolien aus biobasierten und biologisch abbaubaren Werkstoffen erreicht werden. Die Entwicklungschancen dieser Werkstoffe hängen jedoch maßgeblich davon ab, inwieweit es gelingt, durch die Schaffung positiver Rahmenbedingungen ein entsprechendes Interesse und Engagement der Industrie zu wecken und zu verstärken.

Flachs, Hanf oder exotischen Fasern in biobasierten Werkstoffen haben derzeit ein Marktvolumen von 20.000 Tonnen. Hinzu kommen noch rund 45.000 Tonnen an Baumwollfasern. Die deutsche Automobilindustrie setzte allein im Jahr 2005 etwa 88.000 Tonnen NFK im PKW-Bau ein.

Bei Holz-Polymer-Werkstoffen deutet sich eine dynamische Entwicklung an: während in Nordamerika jährlich bereits rund 1,0 Millionen Tonnen produziert werden, sind es in Europa nur geschätzte 105.000 Tonnen (2006), Tendenz jedoch stark steigend.

Um biobasierte Werkstoffe im Vergleich zu herkömmlichen und etablierten Werkstoffen konkurrenzfähig zu machen, sind vielfach noch Optimierungen in der Werkstoffherstellung und -verarbeitung notwendig. So sollten Wiederverwendungs- und Recyclingmöglichkeiten bei der Herstellung biobasierter Werkstoffe berücksichtigt werden.

Im Rahmen der Leitmarktinitiative der Europäischen Kommission werden derzeit Maßnahmen zum Ausbau der Marktposition von biobasierten Werkstoffen erörtert.

Wichtige Rahmenbedingungen für den Einsatz und die Entsorgung von biobasierten Werkstoffen werden im nationalen Rahmen durch die Verpackungsverordnung (VerpackV), die Bioabfallverordnung (BioabfallVO) und die Düngemittelverordnung (DüngemittelVO) gesetzt. Nationale und internationale Normen garantieren die biologische Abbaubarkeit zertifizierter Werkstoffe.

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Bauprodukte

Nachwachsende Rohstoffe sind Ausgangsstoff für eine Vielzahl qualitativ hochwertiger Bauprodukte. Hierzu zählen neben Holz und Naturdämmstoffen auch Farben, Lacke, Klebstoffe und Bodenbeläge. Der Anteil des Holzbaus lag 2007 mit etwas über 21.000 Häusern bei rund 15 Prozent der neuen Wohngebäude. Jährlich werden eine Million Kubikmeter Naturdämmstoffe in deutschen Häusern verbaut, dies entspricht einem Marktanteil von rund 4 Prozent. Zur Produktion von Linoleum werden etwa 30.000 Tonnen, bei der Herstellung von Naturfarben ungefähr 10.000 Tonnen Leinöl im Jahr verwendet.

Obwohl die Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen im Bauwesen etabliert und fertigungstechnisch von hoher Reife ist, führen gesteigerte Anforderungen an die Werkstoffe und den Holzschutz zu erheblichen Anpassungen und Neubewertungen bisheriger Bauweisen. Auch die künftigen Anforderungen an die Energieeffizienz der Gebäude stellen grundsätzlich neue Anforderungen an den Baustoffsektor.

Dies gilt insbesondere auch mit Blick auf das in Entwicklung befindliche Deutsche Gütesiegel Nachhaltiges Bauen. Bauprodukte aus nachwachsenden Rohstoffen sind aufgrund der Rohstoffpreise noch nicht in allen Bereichen wettbewerbsfähig im Vergleich zu herkömmlichen Produkten. Es besteht erheblicher Bedarf, Bauherren, Handwerker und Architekten über die Qualitäten und Kennwerte der Bauprodukte aus nachwachsenden Rohstoffen zu informieren und Bauprodukte, Bauteile und Konstruktionen zu überprüfen und weiterzuentwickeln.

Broschüre: Fachberatung Bauen und Wohnen mit nachwachsenden Rohstoffen

Im Rahmen der Leitmarktinitiative der Europäischen Kommission wurde Nachhaltiges Bauen als Zukunftsmarkt identifiziert. Zum Ausbau der Marktposition von biobasierten Werkstoffen im Baubereich werden gegenwärtig Maßnahmen in den Bereichen Gesetzgebung, Standardisierung, Kennzeichnung und Zertifizierung sowie öffentliche Auftragsvergabe geprüft.

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Oleochemische Anwendungen

Die deutsche Industrie verarbeitet jährlich rund 1,45 Millionen Tonnen pflanzliche Öle und tierische Fette für oleochemische Anwendungen. Fette und Öle sind wichtige Rohstoffe für die Herstellung von biobasierten Tensiden, Schmierstoffen (unter anderem Hydrauliköle, Schalungstrennmittel), Polymeren und Polymeradditiven sowie Lacken und Farben.

Für die Herstellung von Tensiden werden 430.000 Tonnen Öle, hauptsächlich Palmkern- und Kokosöl, eingesetzt. Tenside werden für Wasch- und Reinigungsmittel sowie in der Pharma-, Kosmetik- und Textilindustrie benötigt. Etwa 10 Prozent der Tenside werden in Deutschland aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt, wobei die jährlichen Anteile an fossilen und nachwachsenden Rohstoffen in Abhängigkeit von den Rohstoffpreisen stark schwanken.

Biobasierte Schmierstoffe werden vor allem aus Rapsöl, Sonnenblumenöl und tierischen Fetten hergestellt. Die Jahresproduktion beträgt 46.500 Tonnen, was einem Marktanteil von 4,1 Prozent entspricht. Bioschmierstoffe haben ökologische Vorteile, da von Ihnen deutlich geringere Gefahren für die Gewässer ausgehen als von mineralischen Schmierstoffen. Zudem besitzen sie auch technische Vorteile, insbesondere durch bessere Schmierfähigkeit. Das Marktpotenzial von Bioschmierstoffen wird auf bis zu (90 Prozent) des Gesamtmarktes geschätzt. Die Substitution von mineralischen Schmierstoffen durch biobasierte Schmierstoffe wird jedoch in großem Maßstab nur dann erfolgen können, wenn sich die bestehende Preisdifferenz zu den auf Erdöl basierenden Schmierstoffen erheblich verringert .

Im Rahmen der Leitmarktinitiative der Europäischen Kommission wurden Bioschmierstoffe als potenzieller Zukunftsmarkt identifiziert. Zum Ausbau der Marktposition von Bioschmierstoffen werden gegenwärtig Maßnahmen in den Bereichen Gesetzgebung, Standardisierung, Kennzeichnung und Zertifizierung sowie öffentliche Auftragsvergabe geprüft. Mandate für die Entwicklung eines Normungsprogramms und die Erarbeitung von Normen für Bioschmierstoffe wurden bereits erteilt. Die europäischen Aktivitäten werden auf nationaler Ebene vom Deutschen Institut für Normung e.V. (DIN) begleitet.

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Arznei- und Pharmapflanzen

Arznei- und Pharmapflanzen werden in Deutschland zu 75 Prozent für die Produktion von pflanzlichen Arzneimitteln verwendet. Daneben gewinnen Kosmetika und in wachsendem Umfang auch Nahrungsergänzungsmittel als Einsatzbereiche an Bedeutung. Deutschland ist mit derzeit jährlich circa 70 Millionen Euro der mit Abstand wichtigste Markt für Arzneipflanzen in der EU. Experten gehen von einem stetig wachsenden Absatzmarkt aus. Etwa 75 Arten werden in Deutschland bereits systematisch auf rund 10.000 Hektar angebaut, 15 davon im größeren Umfang. Die heimische Produktion unter kontrollierbaren Anbaubedingungen findet vor allem in den Bundesländern Thüringen, Bayern, Hessen und Niedersachsen statt. Es bestehen gute Absatzchancen für Arzneimittelpflanzen heimischer Herkunft, weil Pharmahersteller Herkünfte aus kontrolliertem Anbau bevorzugen. Voraussetzung dafür ist, dass derzeit bestehende Probleme beim Anbau der Pflanzen, der Aufbereitung des Pflanzenmaterials sowie der Qualitätsbewertung der wertgebenden Inhaltsstoffe behoben werden.

Phytopharmaka spielen insbesondere im Rahmen der stark wachsenden Selbstmedikation eine große Rolle. Pflanzliche Arzneimittel haben einen Marktanteil von 31 Prozent bei rezeptfreien Arzneimitteln; dies entspricht einem Absatzvolumen von 1,9 Milliarden Euro im Jahr 2005. Darin enthalten ist ein Absatz in Höhe von 383 Millionen Euro an pflanzlichen homöopathischen Arzneimitteln.

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Cellulose und Stärke

In Deutschland werden in der chemisch-technischen Industrie pro Jahr etwa 383.000 Tonnen Chemiecellulose verwendet, auf deren Basis etwa 101.000 Tonnen Cellulosederivate sowie 282.000 Tonnen Celluloseregenerate produziert werden. Die verwendete Chemiecellulose wird aufgrund der benötigten Reinheit oder der in Deutschland nicht vorhandenen Produktionskapazitäten zu 100 Prozent importiert. Die in der deutschen Zellstoffindustrie hergestellte Reincellulose wird dagegen produktionsintegriert als Additiv der Papierherstellung weiterverarbeitet und gelangt entsprechend nicht in die Chemische Industrie oder den Handel.

Aus Cellulosederivaten werden vor allem Bindemittel für Farben, Lacke und Beschichtungen, Polymere für den Einsatz in der Bau-, Pharma- und Kosmetikindustrie oder biobasierte Kunststoffe produziert. Unter den Celluloseregeneraten spielen vor allem die Regeneratfasern (Viskose) sowie Regeneratfolien und -filme eine zentrale Rolle. Die Produktion von Regeneratfasern beträgt jährlich etwa 200.000 Tonnen, was etwa 20 Prozent der Gesamtproduktion an Chemiefasern entspricht. Die Fasern werden zur Herstellung von Textilien, Vliesstoffen, Reifencord und Verbundwerkstoffen verwendet.

Für die industrielle Nutzung werden in Deutschland etwa 810.000 Tonnen Stärke verwendet, die auf Basis von Kartoffeln, Weizen und Mais produziert werden. Die verwendete Stärke weist dabei teilweise sehr spezielle Eigenschaften auf. Entsprechend ist bei Weizen- und Maisstärke jeweils etwa ein Drittel direkt anwendungsgebunden und kann nicht durch andere Fraktionen ersetzt werden, bei der Kartoffel beträgt dieser Anteil sogar zwei Drittel. Der Verbrauch teilt sich auf in die Chemische Industrie mit etwa 110.000 Tonnen und die Papierindustrie mit etwa 700.000 Tonnen für die Papierproduktion und als Klebstoff in der Wellpappeproduktion. Es wird erwartet, dass der Einsatz von Stärke in der industriellen Nutzung in Deutschland weiter wächst.