Biochemikalien & Kreislaufwirtschaft: Optimierung der Bio-Wertschöpfungskette

Biochemikalien entwickeln sich zunehmend zu wesentlichen Bausteinen der Kreislaufwirtschaft, da sie aus erneuerbaren Rohstoffen wieBiomasse, organischen Reststoffen und Abfallströmen erzeugt werden. Sie ermöglichen den Übergang von der fossilen zu biobasierten Chemie in den Bereichen Kraftstoffe, Werkstoffe und Spezialchemikalien. Biochemikalien agieren als Plattformmoleküle und reichen von Fettsäuren über Amino- und Nukleinsäuren bis hin zu sehr großen Molekülen, die dazu dienen, Kraftstoffe, Polymere und Spezialchemikalien zu produzieren.

Die Dringlichkeit, die Bio-Wertschöpfungskette zu optimieren, ergibt sich sowohl aus dem Umfang als auch aus den Auswirkungen. Der weltweite Markt für Biochemikalien wurde 2025 auf 88 bis 90 Mrd. USD beziffert und soll Schätzungen zufolge bis 2035 das Doppelte betragen – mit jährlichen Wachstumsraten von 7 bis 10 %.

Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) verursacht die Chemieindustrie pro Jahr rund 935 Mio. Tonnen an direkten CO₂-Emissionen. Das macht sie zu einem der Sektoren, deren Dekarbonisierung die größten Herausforderungen mit sich bringt. Ohne eine breitere Akzeptanz von Biochemikalien und anderen klimafreundlichen Alternativen könnten die Emissionen der chemischen und petrochemischen Industrie bis 2030 rund 2,8 Mrd. Tonnen CO₂ ausmachen, was in einem "Business-as-usual"-Szenario eine Zunahme von fast 50 % im Vergleich zu 2010 darstellt .

Biochemikalien sind Teil der Lösung. Umweltbilanzen zeigen, dass biobasierte Produkte die Treibhausgasbilanz im Vergleich zu fossilbasierten Alternativen um rund 45 % senken können. Die Ergebnisse variieren je nach Rohstoffen, Prozesskonfiguration und Produktionsmaßstab. Damit werden Biochemikalien zu einem zentralen Faktor für die Verringerung des CO₂-Fußabdrucks in der Chemikalienherstellung und tragen gleichzeitig zur Förderung von Modellen der Kreislaufwirtschaft bei.

Weltweite politische Rahmenbedingungen tragen aktiv zu diesem Wandel bei. In Asien werden die Klimaziele zunehmend auf die Dekarbonisierung der Industrie und die Ressourceneffizienz abgestimmt. China strebt bis 2060 Klimaneutralität an , während Japan und Südkorea dies bis 2050 erreichen wollen. Nationale Strategien unterstützen diese Ziele durch biobasierte Werkstoffe, moderne Biokraftstoffe und Kreislaufwirtschaft, um die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen zu verringern.

In Lateinamerika legt das RenovaBio-Programm in Brasilien die nationalen Dekarbonisierungsziele für den Kraftstoffsektor fest. Es zertifiziert Biokraftstoffe auf der Grundlage ihrer Treibhausgasbilanz über den gesamten Lebenszyklus hinweg und gibt handelbare Dekarbonisierungsgutschriften (CBIOs) aus, die an nachgewiesene Emissionsreduzierungen geknüpft sind.

In den USA fördert der Inflation Reduction Act Biokraftstoffe, indem Herstellern, deren Kraftstoffe über den gesamten Lebenszyklus geringe Treibhausgasemissionen aufweisen, Steuergutschriften gewährt werden.

In der Europäischen Union legt die Erneuerbare Energien-Richtlinie (Renewable Energy Directive, RED III) den Anteil erneuerbarer Energien bis 2030 auf mindestens 42,5 % als verbindliches Ziel fest, wobei der Schwerpunkt auf Kraftstoffen für den Verkehrssektor, auf der Industrie und auf modernen biobasierten Produktionswegen liegt. Die Mitgliedsstaaten müssen entweder einen Anteil von 29 % an erneuerbaren Energien im Verkehrssektor oder eine Reduzierung der Treibhausgasintensität um 14,5 % erreichen, was sich direkt auf die Lieferketten in den Bereichen Biokraftstoffe, erneuerbare Chemikalien und Biochemikalien auswirkt. Diese Anforderungen werden gestützt durch Nachhaltigkeitskriterien, Zertifizierungssysteme und Verpflichtungen zur Berichterstattung über den gesamten Lebenszyklus, die verifizierte Kohlenstoffreduzierungen übergreifend über alle Wertschöpfungsketten sicherstellen.

Erneuerbare Bausteine dienen als wesentliche Zwischenprodukte für ein breites Spektrum an biobasierten Produkten, die bereits im weltweiten Energie- und Werkstoffmarkt etabliert sind. Sie ermöglichen die Umwandlung von erneuerbaren Rohstoffen in Endprodukte mit unterschiedlichen Leistungsprofilen – je nach Prozesswegen und Anwendungsanforderungen. Dies bildet die strukturelle Grundlage einer zirkulären biobasierten Wertschöpfungskette.

Da die chemische Industrie rund 10 % der weltweiten industriellen CO₂-Emissionen verursacht , konzentriert sich die Umstellung auf eine biobasierte Wirtschaft zunehmend darauf, wie erneuerbare Werkstoffe in Produktionssysteme integriert werden. Biobasierte Prozesse belassen Kohlenstoff in industriellen Wertschöpfungsketten, indem sie biologische Ressourcen nutzen, statt vom ständigen Einsatz fossiler Rohstoffe abhängig zu sein.

Biochemikalien spielen in dieser Entwicklung eine zentrale Rolle, indem sie erneuerbare Rohstoffe mit einem breiten Spektrum an nachgelagerten Kraftstoffen und Zwischenprodukten verknüpfen und so eine widerstandsfähigere und klimafreundlichere Produktion ermöglichen.

In der biobasierten Produktion werden erneuerbare Rohstoffe in Zwischenprodukte umgewandelt, die für zahlreiche Endprodukte genutzt werden können, statt nur einmal zum Einsatz zu kommen. Dieser Ansatz trägt dazu bei, Kohlenstoffkreisläufe zu schließen, indem die Werkstoffe über aufeinanderfolgende Prozessschritte und Anwendungen hinweg im Kreislauf gehalten werden. Die Verbindung dieser verschiedenen Stufen verbessert die Prozesseffizienz insgesamt und unterstützt niedrigere Emissionen über den Lebenszyklus.

In der Praxis lässt sich dies durch Verknüpfung von Fermentation, gezielter chemischer Umwandlung und Downstream-Prozessen erreichen. Die Fermentation wandelt Biomasse oder organische Reststoffe in Zwischenprodukte um; chemische Schritte bereiten sie für spezifische Anwendungen auf, und Downstream-Abläufe isolieren und reinigen die Endprodukte. Die Integration dieser Stufen ermöglicht eine effizientere Ressourcennutzung bei gleichzeitiger weiterer Reduzierung des CO₂-Fußabdrucks.

Biochemikalien ermöglichen die produktive Nutzung von Rest- und Abfallströmen innerhalb der chemischen Wertschöpfungsketten. Die Umwandlung von landwirtschaftlichen Reststoffen oder organischen Abfällen in wertvolle Rohstoffe ist allerdings mit erheblicher betrieblicher Komplexität verbunden. Der korrekte Umgang mit den Schwankungen in den aus diesen Strömen gewonnenen Rohstoffen ist von entscheidender Bedeutung, um die Prozesseffizienz aufrechtzuerhalten und Ausbeuteverluste zu vermeiden.

Restströme können stark in der Zusammensetzung variieren. Eine genaue Regelung und präzise Verarbeitung helfen, diese Ströme in hochreine industrielle Produkte umzuwandeln.

Plattformmoleküle gestatten es Herstellern, mit demselben biochemischen Prozess unterschiedliche Endprodukte herzustellen. Ein einzelnes Zwischenprodukt, wie z. B. Bernsteinsäure oder Fettsäuren, kann – je nach Marktanforderungen – zu Kraftstoffen, Lösungsmitteln oder Polymeren verarbeitet werden.

Diese Flexibilität erlaubt es Unternehmen, die Produktion anzupassen, ohne wesentliche Prozessschritte zu ändern. So kann die Produktion unter Einsatz derselben Betriebsmittel zwischen Massenkraftstoffen und höherwertigen Spezialchemikalien wechseln. Dadurch ist die Fertigung weniger von einem einzelnen Endmarkt abhängig und kann besser auf eine sich ändernde Nachfrage reagieren.

Die Umweltleistung in der biochemischen Produktion kann nicht allein anhand von isolierten Prozessverbesserungen beurteilt werden. Die Umweltbilanz (Life-Cycle Assessment, LCA) bietet eine strukturierte Methode, um Emissionen, Energienutzung und Ressourcenverbrauch über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg, von der Rohstoffbeschaffung bis zur Endproduktion, zu quantifizieren.

Da die Umweltbilanz die gesamte Wertschöpfungskette einbezieht, hilft sie dabei, Auswirkungen zu identifizieren sowie biobasierte und fossile Produktionswege auf einer einheitlichen Grundlage zu vergleichen. Auf die gesamte Bio-Wertschöpfungskette angewendet, unterstützt die Umweltbilanz fundierte Entscheidungsfindung, Gesetzeskonformität und Nachhaltigkeitsberichterstattung in der biochemischen Produktion.

Biodiesel wird aus Biochemikalien hergestellt, die aus Pflanzenölen, Altölen, tierischen Fetten und Restströmen, wie z. B. Nebenprodukten aus der Holzindustrie oder aus oleochemischen Prozessen, gewonnen werden. Er kann in herkömmlichen Dieselmotoren entweder als einziger Kraftstoff oder als Beimischung zu fossilem Diesel verwendet werden. Die Produktion von Biodiesel beruht typischerweise auf Umesterungsreaktionen, die fettsäurereiche Fette und Öle in nutzbare Kraftstoffkomponenten umwandeln.

Als nachwachsender Kraftstoff trägt Biodiesel zur Reduzierung der Lebenszyklus-Treibhausgasemissionen bei und unterstützt gesetzliche Rahmenwerke, die die Senkung der CO₂-Intensität im Transportsektor zum Ziel haben.

Bioethanol wird durch die Fermentation von Zucker, Stärke oder lignocellulosehaltigen Rohstoffen hergestellt. Er wird in vielen nationalen Kraftstoffsystemen häufig als Beimischungskomponente im Benzin verwendet. Indem er den fossilen Anteil am Kraftstoff zum Teil ersetzt, trägt Bioethanol zur Reduzierung der Gesamtemissionen des Straßenverkehrs bei und erhöht den Anteil erneuerbarer Energien am Verbrauch flüssiger Kraftstoffe.

Polymilchsäure (PLA) ist ein biobasiertes Polymer, das aus nachwachsenden Rohstoffen wie Maisstärke oder Zuckerrohr gewonnen wird. Es wird über biochemische Zwischenprodukte hergestellt, die während der Fermentation und anschließenden Verarbeitung entstehen.

Zu den Endanwendungen von Polymilchsäure (PLA) gehören:

• Verpackung
• Textilien/Fasern
• Konsumgüter
• Filamente für 3D-Druck
• Ausgewählte industrielle Anwendungen

Zwar tragen Biochemikalien zu Kraftstoffen und Werkstoffen mit geringerem Kohlenstoffanteil bei, allerdings hängt sowohl ihre Umweltleistung als auch ihre wirtschaftliche Leistung von einer effizienten Massenproduktion ab. Die Umwandlung von erneuerbaren Rohstoffen in hochreine Produkte erfordert eine stabile Verarbeitung über mehrere Stufen hinweg, die u. a. Rohstoffaufbereitung, biochemische oder katalytische Umwandlung und Downstream-Reinigung umfassen.

Wird die Produktion skaliert, können selbst geringfügige Schwankungen in den Rohstoffeigenschaften oder Prozessparametern die Umwandlungseffizienz verringern und die Produktqualität beeinträchtigen. Eine präzise Regelung von Temperatur, pH-Wert und Nährstoffhaushalt ist daher von entscheidender Bedeutung für einen zuverlässigen Betrieb im großtechnischen Maßstab.

Bioreaktor-Instrumentierung und Inline-Analysetechnologien liefern Prozessdaten in Echtzeit, sodass biochemische Reaktionen überwacht, Abweichungen frühzeitig erkannt und Betriebsbedingungen entsprechend angepasst werden können. Die kontinuierliche Transparenz des Prozessverhaltens trägt dazu bei, Variabilität zu reduzieren, Umwandlungseffizienz zu verbessern und eine stabile Produktion im großtechnischen Maßstab zu unterstützen.

Eine effektive Prozessregelung kann Rohstoffverluste reduzieren, den Energiebedarf senken, eine nicht spezifikationskonforme Produktion minimieren und dabei gleichzeitig Gesetzeskonformität und Nachhaltigkeitsziele unterstützen. Zuverlässige Mess- und Regelsysteme spielen daher eine wichtige Rolle bei der effizienten Skalierung der biochemischen Produktion und der Ermöglichung widerstandsfähigerer Modelle der Kreislaufwirtschaft.

Der Übergang zur Kreislaufwirtschaft wirft wichtige Fragen zum Verhalten von erneuerbaren Rohstoffen in industriellen Fertigungssystemen auf. Die nachfolgenden Antworten behandeln die üblichen Herausforderungen, die mit Prozessstabilität, Rohstoffvariabilität und einer biochemischen Produktion im großen Maßstab einhergehen.