Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 18.03.16


Nachwachsende Rohstoffe - Chemische Bausteine aus der Natur (C1 - C4)

Vortrag von Max Kolb im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - OC", SS 15; und Vortrag von Matthias Bornitzky im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", WS 14/15


Gliederung:


Einführung 1. Würde man eine Umfrage machen, ob fossile oder nachwachsende Rohstoffe besser sind, so entscheidet sich die Mehrzahl sicher für nachwachsende Rohstoffe. Die große Effektivität und das breite Einsatzspektrum von diesen sind bemerkenswert, zudem sind sie umweltschonender als fossile Rohstoffe.

Begründen lässt sich dies durch einige kleine organische Moleküle, welche in großer Anzahl auf der Welt vorkommen. Chemische Bausteine wie Methanol oder Glycerin geben nachwachsenden Rohstoffen genau die Eigenschaften, die für den Menschen sehr nützlich sind. Zwei Bausteine stechen jedoch durch besonders viele Verwendungsmöglichkeiten hervor: Ethen und Ethanol.

Einführung 2 Viele Ölförder-Stätten befinden sich in kriegsgefährdeten Gebieten, wie dem Irak. Der Kampf um fossile Brennstoffe macht deutlich, dass diese zu den wichtigsten strategischen Gütern überhaupt zählen und zurecht als "Schmiermittel der Wirtschaft" bezeichnet werden. Für Europa bedeutet das eine Abhängigkeit von Staaten wie Russland oder den USA, da diese für den Erdöl-Export verantwortlich sind. Daraus resultiert unter anderem eine Einschränkung in der außenpolitischen Handlungsfähigkeit. Einen möglichen Weg zur Unabhängigkeit soll hier die Biotechnologie bieten.


1 Beispiele chemischer Bausteine

1.1 Methanol (C1)

Methanol ist ein C1 Baustein und der "kleinste" Alkohol. Unter Normalbedingungen ist es eine stechend riechende, farblose Flüssigkeit. Methanol wird zum Beispiel durch Kohlevergasung hergestellt und dient heutzutage als Desinfektionsmittel, Plattformchemikalie (Ameisensäure, Formaldehyd etc.), Biodiesel oder Brennstoff.

1.2 Glycerin (C3)

Glycerin ist ein C3 Baustein und der einfachste dreiwertige Alkohol. Es kommt in der Natur in großer Anzahl vor. So dient es Pflanzen beispielsweise als Frostschutz. Für den Menschen ist es dahingehend interessant, da es als Lebensmittelzusatz, Frostschutzmittel, Feuchtigkeitsspender in der Kosmetik, Tabakanfeuchter und als Sprengstoff dient.


Abb.1: Strukturformel für Glycerin.

1.3 Bernsteinsäure (C4)

Bernsteinsäure ist eine farblose, kristalline Dicarbonsäure. Sie kommt in Pflanzen (Citrat-Zyklus) aber auch in Tieren (Harnstoffzyklus) häufig vor. Die Herstellung Erfolg durch katalytische Hydrierung von Malein- oder Fumarsäure. Sie dient als Lebensmittelzusatz, als Plattformchemikalie (Polyester), Geschmacksverstärker und zur Parfumherstellung.


Abb. 2: Strukturformel für Bernsteinsäure.

1.4 Cellulose

Cellulose ist der Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellwänden und damit auch das häufigste vorkommende Polysaccharid. Sie besteht aus β-1,4-glycosidisch verknüpften  β-D-Glucose Molekülen und ist unverzweigt aufgebaut. Die Cellulose-Fasern haben in höheren Pflanzen statisch-stabilisierende Funktion.


Abb. 3: Strukturformel für Cellulose.


2 Ethen und Ethanol - Struktur, Herstellung, Verwendung

Ethanol und besonders Ethen sind beide C2-Verbindungen, die sich in eine erstaunliche Fülle von verschiedenen Substanzen umwandeln lassen.

Tabelle 1: Ethen und Ethanol im Überblick

Ethen

Ethanol

Zustand

  • Gasförmig

  • Flüssig

Herstellung

  • Thermisches Cracken

  • Säurekatalysierte Dehydratisierung von Ethanol.

  • Alkoholische Gärung von Zucker, Stärke und Maltose.

  • Chemische Synthese aus Wasser und Ethen.

Verwendung

  • Polyvinylchlorid (PVC)

  • Polyethylen

  • „Kunststoff“ allgemein

  • Hormon zur Blühinduktion und Fruchtreife

  • Brenngas

  • Ausgangsstoff zahlreicher organischer Verbindungen

  • Lösemittel

  • Desinfektionsmittel

  • Brennstoff

  • Treibstoff

  • Genussmittel

  • Lebensmittelzusatz

Experiment

1. Verbrennung von Ethanol. Ziel: Aufzeigen des Ethanols als guten Brennstoff.

2. Olivenöl wird jeweils zu Ethanol und zu Wasser gegeben. Ziel: Aufzeigen des Ethanol als gutes Lösemittel.

Material

  • Mörserschale

  • Glimmspan

  • Feuerzeug

  • 2 Reagenzgläser

  • 2 Stopfen

Chemikalien

  • 1: Ethanol

  • 2: Ethanol, Olivenöl, Wasser

Durchführung

1: Das Ethanol wird durch das Zündstäbchen entzündet.

2: Olivenöl wird jeweils in ein Reagenzglas zu Ethanol und zu Wasser gegeben.

Beobachtung

1: Ethanol verbrennt in heller, auffälliger Flamme.

2: Während sich das Olivenöl in Wasser gut löst, bilden sich in Wasser zwei Phasen.

Interpretation

1: Anhand der langen Verbrennungsdauer und der enormen Flamme kann man von der guten Eignung des Ethanols als Brennstoff ausgehen.

2: Dadurch lässt sich zeigen, dass Ethanol ein sehr gutes Lösungsmittel ist.


3 Holz als nachwachsender Rohstoff zur Kraftstoffproduktion

Als kostengünstiger Rohstoff erscheint Holz zunächst sehr geeignet. Verholzte Pflanzenteile bestehen jedoch aus Lignocellulose. Diese ist komplex zusammengesetzt und damit nur schwer enzymatisch abbaubar.

Die Lignocellulose besteht aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Die Cellulose-Stränge liegen in einer Matrix aus Hemicellulose und Lignin.


Abb 3: Schematischer Aufbau der Lignocellulose.

Das Problem bei dieser dicht gepackten Form der Cellulose ist, dass die in der Biotechnologie verwendeten Enzyme, die β-1,4-glycosidischen Bindungen der Cellulose nicht erreichen und spalten können. Einen möglichen Lösungsweg bietet hier die anorganische Chemie. Mit Methoden der Vorbehandlung, wie alkalischer Quellung kann die innere und äußere Oberfläche des Holzes erhöht werden, sodass die Enzyme die einzelnen Komponenten umwandeln können.

Experiment 2

alkalische Quellung von Sägemehl. Nachweis mittels Fehlingprobe. Ziel: Aufzeigen der geöffneten Struktur durch Nachweis von Cellulose.

Material

  • Sägemehl

  • Universalindikatorpapier

  • Gasbrenner

  • Feuerzeug

  • 3 Reagenzgläser

  • Reagenzglashalter

  • 3 Stopfen

  • Nutsche

Chemikalien
  • Schwefelsäure (1mol/L)
  • Natronlauge (1mol/L)
  • vollentsalztes Wasser
 
  • Fehling 1+2

Durchführung

Vorbereitung: Sägemehl wird mit 20 ml Schwefelsäure auf 60°C erhitzt und mit 25ml VE-Wasser zum kochen gebracht. Anschließend über eine Nutsche abfiltriert. Danach wird durch die Zugabe von Natronlauge ein neutraler pH-Wert eingestellt.

5 ml des Holzextrakts werden mit 10 ml Fehling 1 und 10 ml Fehling 2 versetzt und über dem Gasbrenner bis zum Sieden erhitzen. Diese Durchführung wird für eine Glucoselösung und eine Sägemehl-Suspension wiederholt.

Beobachtung

Die Farbe des Holzextraktes und der Glucoselösung ändert sich ins rot-braune. Bei der Sägemehl Suspension ist keine Farbänderung zu beobachten.

Interpretation

Die Aldehydgruppe der Glucose reagiert mit den Cu2+-Ionen der Fehlinglösung. Es entsteht eine Säure und rot-braunes Kupfer(I)-oxid.

Bei der Sägemehl-Suspension liegen die Glucose-Stränge nicht frei vor und somit findet keine Reaktion der Aldehydgruppe mit der Fehlinglösung statt. Dies ist der Beweis dafür, dass die alkalische Quellung zur Herstellung von fermentierbaren Intermediaten aus Lignocellulose notwendig ist.


Zusammenfassung. Die Natur beherbergt eine Vielzahl von chemischen Bausteinen, die der Mensch erfolgreich einsetzt. Ethen und Ethanol heben sich durch ihre große Anzahl an Einsatzmöglichkeiten besonders hervor.

Allerdings besteht hier auch eine Gefahr. Zur Herstellung von Ethen wird Ethanol benötigt. Da die Gewinnung von Ethanol meist durch Gärung erfolgt, müssen Lebensmittel wie Kartoffeln, Zuckerrohr oder Getreide als Zucker oder Stärkelieferanten dienen [1]. Zwar werden bis jetzt nur ca. 0,1 % der Grundnahrungsmittel zu solchen Zwecken verwendet, aber in Zeiten der zunehmenden Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen könnte diese Zahl deutlich ansteigen. Dadurch wird es sicher Probleme mit Ländern wie beispielsweise Teilen Afrikas geben, in denen sich dadurch Hungersnöte verstärken.


Abb. 4: Die Kartoffel: Grundnahrungsmittel oder Industriematerial?

Letztendlich ist auch die Bioethanolherstellung aus verholzten Pflanzenteilen noch nicht effizient genug, dass weltweit alle Fahrzeuge mit diesem Kraftstoff fahren. Grund dafür ist, dass momentan lediglich die β-glykosidischen Bindungen der Cellulose enzymatisch gespalten werden können. Hemicellulose und vor allem das, aus aromatischen Verbindungen aufgebaute, Lignin benötigen speziell modifizierte Enzymsysteme, an denen zur Zeit noch geforscht werden muss. Dennoch macht es Mut zu hören, dass seit 1999 die Herstellungskosten für Bioethanol aus Cellulose, dank kostengünstigerer Enzymherstellung, deutlich gesunken sind. Zudem scheint es sicher, dass angesichts des politischen Rückenwinds und vieler Entwicklungsstrategien, Biokraftstoffe in den nächsten Jahren weiter an Bedeutung gewinnen.


Literatur

  1. Bader, J. (2009) Nachwachsende Rohstoffe. Frankfurt am Main: Fonds der Chemischen Industrie im Verband der Chemischen Industrie e.V.

  2. Sell, D., Puls, J., Ulber, R. (2007) Weiße Biotechnologie - Energielösungen für die Zukunft? aus CiuZ 41, S. 108 - 116. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA

  3. http://www.chemie.de/lexikon/Ethanol.html, 11.04.15

  4. http://www.chemie.de/lexikon/Ethen.html, 12.04.15

  5. http://www.chemieunterricht.de/dc2/nachwroh/nrt_01.htm, 09.04.15

  6. http://www.welt.de/debatte/kommentare/article129053295/Die-Macht-des-Oels-wird-vor-allem-Putin-nutzen.html, 29.02.16

  7. http://www.dechema.de/dechema_media/Downloads/Positionspapiere/wbt04.pdf, 29.02.16

  8. http://www.zeit.de/2014/33/erneuerbare-energien-biokraftstoff/seite-2, 29.02.16

  9. http://www.educ.ethz.ch/unt/um/che/bc/holzverzuck/holzverzuck.pdf, 29.02.16


E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 29.06.15