Siegfried Peters

Saccharose, besser bekannt unter der Bezeichnung "Zucker" oder "Haushaltszucker" wird in industriellem Maßstab aus der Zuckerrübe und aus Zuckerrohr isoliert, 2007 weltweit 161 Mio Tonnen. Davon stammt etwa ein Viertel aus Zuckerrüben und drei Viertel aus Zuckerrohr. Saccharose ist damit das mengenmäßig höchste, in reiner Form isolierte Kohlenhydrat überhaupt. Nach wie vor geht der größte Anteil dieser immensen Zuckermenge als Süßungsmittel in die Nahrungsmittelindustrie oder direkt an den Endverbraucher. Vor allem in Brasilien spielt auch die Gewinnung von Bioethanol aus Saccharose zur Nutzung als Treibstoff eine wichtige Rolle. Auch in der Fermentationsindustrie, etwa zur Herstellung von Citronensäure und Milchsäure, nimmt die Bedeutung der Saccharose stetig zu, steht dabei aber in direktem Wettbewerb mit dem Rohstoff Stärke.
In der chemischen Industrie jedoch spielt Saccharose als Rohstoff eine eher untergeordnete Rolle. Dabei gibt es eine Reihe von Ansätzen, welche belegen, dass Saccharose auch als Rohstoff für Basischemikalien der chemischen Industrie nutzbar gemacht werden kann. Aus Saccharose können strukturell und funktionell vergleichbare Chemikalien zu bisher petrochemisch basierten Grundchemikalien gewonnen werden. Jedoch sind bisher nur wenige dieser Ansätze tatsächlich verwirklicht. Dies hat vor allem wirtschaftliche Hintergründe. Solange wichtige Grundchemikalien auf Basis fossiler Rohstoffe (vor allem Erdöl) kostengünstiger herstellbar sind, wird Saccharose vorläufig nur dort als Rohstoff Fuß fassen können, wo die daraus herstellbaren Produkte über die Möglichkeiten der Petrochemie hinaus einen preislichen und funktionellen Wettbewerbsvorteil bieten.
Die Verfügbarkeit des petrochemischen Rohstoffs Erdöl wird kritisch bewertet. Schätzungen gehen davon aus, dass preiswertes Erdöl nur noch bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts verfügbar sein wird. Grund genug sich rechtzeitig Gedanken über alternative Rohstoffquellen zu machen - vorzugsweise solche Quellen, deren Verfügbarkeit nicht von vornherein limitiert ist, sondern immer wieder neu zur Verfügung steht, also regenerative, nachwachsende Rohstoffe. Dieses Kriterium erfüllt Saccharose in idealer Weise. Ansätze, die die Möglichkeiten zur Umsetzung von Saccharose hin zu wertvollen chemischen Zwischenprodukten demonstrieren, existieren in großer Vielzahl, einige davon finden bereits jetzt industrielle Anwendung.

Abbildung 1: Saccharose ist a-D-Fructofuranosyl-a-D-Glucopyranosid

Saccharose ist ein nicht-reduzierendes Disaccharid, in dem D Glucose und D-Fructose anomerisch verknüpft sind.

Drei grundsätzliche Reaktionspfade sind denkbar, um Saccharose zu modifizieren und in potentielle Produkte für die chemische Industrie zu überführen:

1a.) Saccharose basiertes Ethylen

Brasilianische Chemieunternehmen wie Braskem (200.000 t/Jahr) und Chrystalsev/Dow Chemical (350.000 t/Jahr) planen zu Beginn des nächsten Jahrzehnts die großtechnische Herstellung von Ethylen aus Saccharose über Bioethanol. Dieser Schritt öffnet die gesamte Ethylen-basierte C-2 Chemie basierend auf Saccharose.

1b.) 5-Hydroxymethylfurfural (HMF)

HMF ist in einem einzigen Reaktionsschritt aus Hexosen durch säurekatalysierte Dehydratisierung zugänglich. In wässrigem Milieu folgt leicht die Folgereaktion zu Levulinsäure. (Abbildung 2)

Abbildung 2: Zugang zu HMF und Levulinsäure

Interessant scheinen vor allem aus HMF abgeleitete bi-funktionalisierte Derivate (Diamine, Diole, Dicarbonsäuren), allesamt wertvolle Analoga zu den bekannten Alkyl- und Aryl- Diolen, Diaminen und Dicarbonsäuren und geeignet für die Herstellung von Polyestern und Polyamiden (Abbildung 3, siehe Aktuelle Wochenschau Woche 8). Auch Levulinsäure ist ein möglicher Rohstoff für wichtige chemische Produkte. (Abbildung 4)

Abbildung 3: Bi-funktionalisierte HMF-Derivate als Analoga zu petrochemischen Rohstoffen

Abbildung 4: Wertvolle, aus Levulinsäure zugängliche chemische Produkte

Derzeit sind HMF und daraus herstellbare Derivate jedoch aufgrund der hohen Herstellkosten von HMF (geschätzt mind. 2,50 €/kg) preislich noch nicht konkurrenzfähig zu petrochemischen Produkten.

1c.) 1,2-Propylenglycol

Unter hohen Drücken und Temperatur kann Saccharose durch Hydrogenolyse an einem Katalysator zu 1,2-Propylenglycol und anderen Alkoholen abgebaut werden.(Abbildung 5, siehe Aktuelle Wochenschau Woche 24). In einem weiteren Reaktionsschritt können aus den Di-Alkoholen durch Dehydratisierung und anschließender Tautomerisierung die entsprechenden Aldehyde oder Ketone generiert werden.

Abbildung 5: Verfahren zur Herstellung von Di- und Polyolen aus Saccharose

2.) Reaktionen unter Erhalt der Saccharosestruktur

2a.) Saccharoseester

Saccharoseester sind nicht-ionische oberflächenaktive Substanzen, die als Emulgatoren in der Lebensmittel und Kosmetikindustrie Verwendung finden. Ihre Herstellung kann in Lösungsmitteln (DMF, DMSO) oder in einer Schmelze der Reaktanten Saccharose und Fettsäureester durchgeführt werden. Bevorzugt erfolgt die Veresterung an den drei primären OH-Gruppen, wobei Mischungen unterschiedlich substituierter Saccharoseester entstehen. (Abbildung 6) Saccharose Polyester mit 6 - 8 Fettsäuresubstituenten weisen fettähnliche Eigenschaften auf, sind jedoch vom menschlichen Organismus energetisch kaum oder gar nicht zu verwerten. Deshalb finden sie Anwendung als Fettersatz, wie etwa das unter dem Namen Olestra® bekannte Produkt, das u.a für die Herstellung von frittierten Produkten eingesetzt wird.

Abbildung 6: Veresterung erfolgt bevorzugt an den primären Hydroxylgruppen

2b.) Polyurethane

Polyurethane finden breite Anwendung als Hart- und Weichschäume sowie speziellen Produkte. Sie entstehen durch Reaktion von Diisocyanaten mit Di- oder Polyhydroxyverbindungen. Zu letzterem gehört auch Saccharose, die allerdings zunächst mit Ethylen- bzw. Propylenoxid alkoxyliert wird bevor sie als Polyol-Komponente für die Polyurethanherstellung eingesetzt wird.

3a.) D-Glucose und D-Fructose:

Die am einfachsten aus Saccharose zugänglichen Kohlenhydrate sind die beiden Monosaccharidbausteine, D-Glucose und D-Fructose. Säurekatalysiert findet rasch Hydrolyse in die beiden Bausteine statt.

3b.) Isomaltulose

Durch enzymatische Umlagerungen mittels Glucosyltransferasen sind zur Saccharose isomere Strukturen zugänglich, mit einem anderen Verknüpfungsmuster von D-Glucose und D-Fructose. Isomaltulose ist ein solches Produkt, das in großtechnischem Maßstab hergestellt wird und durch Hydrierung zu Isomalt® umgesetzt werden kann. Beide Produkte, Isomaltulose und Isomalt finden als Zuckerersatz Verwendung.

Wertvolle Beiträge zur Verwendung von Saccharose als nachwachsenden Rohstoff für die Herstellung von wichtigen Basischemikalien sind bereits geleistet, Umsetzungen am Markt jedoch nur bedingt realisiert. Nicht zuletzt kann die mittelfristig prognostizierte Preissteigerung für fossile Rohstoffe, insbesondere Erdöl, Triebkraft für einen verstärkten Prozess hin zu Entwicklung und Optimierung von Herstellprozessen für die Gewinnung von Basischemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen im speziellen auch Saccharose sein.

Abbildung 7: Aus der Vogelperspektive: das Werk Offstein der Südzucker AG während der Zuckerkampagne

	Kontakt Dr. Siegfried Peters SÜDZUCKER AG Mannheim/Ochsenfurt Zentralabteilung Forschung, Entwicklung, Services (ZAFES) Wormser Str. 11 67283 Obrigheim Tel.: +49 (0)6359 803-277 Fax: +49 (0)6359 803-153 E-Mail: siegfried.peters@suedzucker.de	Literaturhinweise [1] Y. Queneau, S. Jarosz, B. Lewandowski, J. Fitremann, Adv. Carb. Chem. Biochem., 2007, 61, 217. [2] F. W. Lichtenthaler in Biorefineries - Industrial Processes and Products , Eds. B. Kamm, P. R. Gruber, M. Kamm, Wiley-VCH, Weinheim, 2006, 2, S. 3. [3] P. Claus, G. H. Vogel, Chem. Ing. Tech., 2006, 78, 991. [4] D. Peters, Nachwachsende Rohstoffe in der Industrie, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, 2. Aufl., Gülzow, 2007.