Langkettige Alkohole auf Basis von Bioethanol für biobasierte Tenside und Weichmacher

Höhere Alkohole kommen vor allem bei der Herstellung von Wasch- und Reinigungsmitteln bzw. von Weichmachern für die Kunststoffverarbeitung zum Einsatz. Sofern sie aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden, greifen Produzenten bislang meist auf Kokos- oder Palmkernöl zurück, die geeignete Fettsäuren zur Herstellung der benötigten langkettigen Alkohole enthalten.

Forscher des Fraunhofer-Institut UMSICHT entwickelten jetzt einen Syntheseweg für höhere Alkohole auf der Basis von Bioethanol. Der erarbeitete Prozess verbreitert das Rohstoffspektrum enorm: Bioethanol steht als Basis-Chemikalie vor allem aus der Biokraftstoffproduktion großtechnisch zur Verfügung.

In dem Verfahren wird Ethanol zu Butanol und anderen längerkettigen Alkoholen (wie 2-Ethyl-Hexanol) kondensiert. Erste Synthesen für daraus erzeugte Weichmacher und Tenside konnten im Rahmen des Projekts durchgeführt werden.

Aufgabenbeschreibung

Mit dem Projekt sollte die nachhaltige und wirtschaftliche Herstellung von Estern der Bernstein- und Citronensäure zusammen mit biobasierten Alkoholen mit 3 bis 10 C-Atomen, insbesondere auch deren verzweigten Isomeren untersucht sowie deren Einsatz im wichtigen Marktsegment der Weichmacher für Kunststoffe aufgezeigt werden. Die höheren Alkohole wurden mit einem speziellen Prozess aus den kurzkettigen Alkoholen Methanol und Ethanol gewonnen, sodass die entstehenden Ester vollständig biobasiert hergestellt werden konnten. Diese Ester sollten auch in Mustermengen hergestellt und deren Anwendung als Weichmacher in Polymeren untersucht werden. Der erste Schritt der im Rahmen des Projekts untersuchten Prozesskette war die Verwendung von biobasierten C1- und C2-Bausteinen (Methanol und Ethanol) zur Herstellung von längerkettigen, zum Teil verzweigten Alkoholen und Aldehyden. Nach einer Stofftrennung und ggf. einem Aufarbeitungsschritt sollte untersucht werden, wie die höheren Alkohole mit fermentativ gewonnenen organischen Säuren zu vollständig biobasierten Estern umgesetzt werden können. Für die überwiegend experimentellen Arbeiten wurden bestehende Versuchsanlagen, inklusive vorhandener Analytik, in verschiedenen Maßstäben genutzt. Die Anwendungstests zur Nutzung der entstehenden Ester als Weichmacher erfolgten in Kooperation mit Industriepartner.

Ergebnisdarstellung

Im Projekt wurde die gesamte Prozesskette von der Herstellung höherer Alkohole aus Ethanol bis hin zum Einsatz der daraus hergestellten Ester als Weichmacher demonstriert. Die Synthese höherer Alkohole konnte mit hervorragenden Selektivitäten in einem Temperaturbereich zwischen 360 °C und 380 °C bis zu 20 bar demonstriert werden. Der Katalysator ist robust gegenüber Wasser, langzeitstabil und einfach regenerierbar. Für die Herstellung insbesondere höherer Alkohole mit mehr als vier C-Atomen ist die Rückführung von Butanol oder dessen Einsatz als Feedstock sinnvoll. Das bei der Reaktion entstehende Wasser sollte vorher abgetrennt werden. Prinzipiell kann das Gemisch mittels Rektifikation in Wasser, Butanol und ein Gemisch höherer Alkohole aufgetrennt werden.

Vor der Synthese von Estern ist eine Hydrierung empfehlenswert, um so Nebenprodukte wie Aldehyde oder ungesättigte Kohlenwasserstoffe zu entfernen. Diese führen während der Veresterung zu einer sehr starken Dunkelfärbung des Produktes. Neben der Veresterung mit Bernsteinsäure wurden die Alkoholgemische auch mit Zitronensäure, Apfelsäure und Itaconsäure verestert. Hierbei wurde festgestellt, dass die Succinat-basierten Weichmacher mit längerkettigen Alkoholen zur Kristallisation neigen und als Weichmacher daher nicht geeignet sind. Gute Verträglichkeiten bzw. ausreichende Effizienzen sind mit eher kurzkettigen Succinat-basierten Weichmachern erzielbar. Die Migration der Weichmacher ist aufgrund der geringen Molmasse oder der Unverträglichkeit als kritisch zu betrachten. Oligomere Bernsteinsäure-basierte Ester mit eher kurzkettigen Monoolen und Polyolen sind daher hinsichtlich des Nutzens der Bernsteinsäure als Weichmacherbestandteil ein kommendes Entwicklungsziel. Neben der Verwendung der Alkohole für die Weichmacher wurden auch Versuche zur Herstellung von Alkylpolyglycosiden (APGs, Tenside für Reinigungsmittel) durchgeführt. Hierbei können auch Alkoholgemische eingesetzt werden.

Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR)