Einführung in die Chemie nachwachsender Rohstoffe: Vorkommen, Konversion, Verwendung

387 Pages·2018·20.37 MB·German

by  Arno Behr

Einführung in die Chemie nachwachsender Rohstoffe
Arno Behr
Thomas Seidensticker
Einführung
in die Chemie
nachwachsender
Rohstoffe
Vorkommen, Konversion, Verwendung
Arno Behr Thomas Seidensticker
Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen
TU Dortmund TU Dortmund
Dortmund Dortmund
Deutschland Deutschland
ISBN 978-3-662-55254-4 ISBN 978-3-662-55255-1 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-55255-1
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V
Vorwort
Eigentlich weiß doch jeder, was nachwachsende Rohstoffe sind. Aber weiß man wirklich ge-
nau, was alles dazu gehört? Dieses Lehrbuch gibt dem Leser einen fundierten Überblick über
die wichtigsten Klassen nachwachsender Rohstoffe und über die zahlreichen Möglichkeiten,
sie durch chemische Umwandlungen in Wertstoffe zu überführen. Bei diesen Beschreibungen
wurden – wo immer möglich – auch die technischen Aspekte mit berücksichtigt. Es werden also
nicht nur die Gewinnung, die chemischen Strukturen und die Umsetzungen der Stoffe aufge-
führt, sondern auch die industrielle Realisierung dieser Reaktionen betrachtet. Damit ist dieses
Lehrbuch eine Fortführung und Ergänzung des ebenfalls bei Springer Spektrum erschienenen
Buches „Einführung in die Technische Chemie“, bei dem insbesondere petrochemische Um-
setzungen im Mittelpunkt stehen.
Auch das vorliegende Lehrbuch versteht sich als eine Einführung, denn das Gebiet der nach-
wachsenden Rohstoffe ist außergewöhnlich umfangreich. Dieses Buch beschreibt in kompakter
Form die besonders wichtigen Klassen der Fette und Öle, der Kohlenhydrate, des Lignins und
der Terpenoide, geht aber auch auf speziellere Gruppen nachwachsender Rohstoffe ein, wie z. B.
natürliche Pharmaka oder Riechstoffe. Auch zu den besonders aktuellen Themen der Biopoly-
mere und Bioraffinerien finden sich eigene Kapitel.
Das Buch basiert auf einer Vorlesung, die die beiden Autoren bereits seit Jahren an der Tech-
nischen Universität Dortmund halten. Einer der Autoren, Prof. Behr, war längere Zeit in der
chemischen Verfahrensentwicklung der Firma Henkel KGaA in Düsseldorf tätig und konnte
dort zahlreiche Industrieerfahrungen mit der Chemie und Technologie der Fette und Öle, der
Kohlenhydrate und der Terpenoide sammeln. In den letzten 20 Jahren hat er ebenfalls an der
Technischen Universität Dortmund zahlreiche Forschungsprojekte auf dem Gebiet der nach-
wachsenden Rohstoffe durchgeführt. Diese speziellen Kenntnisse aus Praxis und Forschung
werden in diesem Buch an die Leser weiter vermittelt.
Das Lehrbuch „Einführung in die Chemie nachwachsender Rohstoffe“ wendet sich sowohl an
die Studierenden der Naturwissenschaften und der Verfahrenstechnik als auch an die Praktiker
im Beruf. Es ist so aufgebaut, dass Studierende an Hoch- und Fachhochschulen ihre Vorlesungen
anhand des Buches nachbereiten oder sich den Lehrstoff kapitelweise im Selbststudium aneig-
nen können. Der Praktiker kann sich schnell über einzelne Rohstoffe, Produkte und Prozesse
informieren und in spezielle Teilgebiete seines Interesses tiefer eintauchen.
Was hat der Leser zu erwarten? Der gesamte Lehrstoff ist in insgesamt 20 Kapitel ähnlichen
Umfangs unterteilt. Jedes Kapitel startet mit einem Kapitelfahrplan, um grob den Inhalt des
jeweiligen Kapitels wiederzugeben und einen ersten Eindruck zu vermitteln. Nach dem Textteil
schließt jedes Kapitel mit einer Zusammenfassung, die alle wesentlichen Aspekte noch einmal
kurz wiederholt. Auf die Zusammenfassung folgen zehn Testfragen, auch Quickies genannt, da
sie sich nach dem Durchlesen des Kapitels schnell beantworten lassen sollten. Wer eine Lösung
nicht direkt parat hat, findet die Antworten auf alle 200 Fragen am Ende des Buches. Schließ-
lich endet jedes Kapitel mit einer kurzen Literaturübersicht. Diese listet zuerst wichtige Bücher,
Nachschlagewerke und Übersichtsartikel zum jeweiligen Thema auf. Wer sich etwas tiefer in die
Materie einarbeiten will, wird zusätzlich noch auf aktuelle einzelne Originalstellen hingewiesen.
VI Vorwort
Dr. Thomas Seidensticker (links) und Prof. Dr. Arno Behr (rechts)
Zu erwähnen sind noch die zahlreichen Exkurse, in denen interessante Teilaspekte zum jewei-
ligen Thema beleuchtet werden, z. B. historische Hintergründe oder aktuelle Entwicklungen.
In den letzten Jahrzehnten haben die nachwachsenden Rohstoffe eine steigende Bedeutung
erlangt, und die beiden Autoren sind überzeugt, dass sich dieser Trend weiter fortsetzen wird.
Das vorliegende Lehrbuch liefert die Grundlagen, sich mit diesem Zukunftsthema besser aus-
einandersetzen zu können.
Die Autoren danken Springer Spektrum, insbesondere Herrn Frank Wigger und Frau Dr. Meike
Barth, für die großzügige Unterstützung bei der Realisierung dieses Buchprojekts.
Weiterer Dank gilt unseren wissenschaftlichen Mitarbeitern an der TU Dortmund, insbesondere
Frau Dr. Kristina Nowakowski und Frau B.Sc. Lisa Goclik, die sich intensiv durch Zeichnen von
Abbildungen und Korrekturlesen an diesem Projekt beteiligt haben.
Viel Spaß bei der Lektüre wünschen
Prof. Dr. Arno Behr und Dr. Thomas Seidensticker
Dortmund, im März 2017
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Der Überblick / Einführung .........................................................1
1.1 Definitionen ...........................................................................2
1.2 Die verschiedenen Arten von nachwachsenden Rohstoffen .............................2
1.3 Der Vergleich mit den fossilen Rohstoffen ..............................................4
1.4 Vor- und Nachteile der nachwachsenden Rohstoffe .....................................8
Weiterführende Literatur ..............................................................12
I FETTE UND ÖLE
2 Fette Pflanzen / Fette und Öle .....................................................17
2.1 Einführungen in die Fettchemie .......................................................18
2.2 Überblick über wichtige Pflanzenöle und Tierfette ....................................20
2.2.1 Kokosöl ................................................................................21
2.2.2 Palmöl und Palmkernöl .................................................................24
2.2.3 Rapsöl .................................................................................25
2.2.4 Sonnenblumenöl .......................................................................25
2.2.5 Sojaöl .................................................................................26
2.2.6 Leinöl ..................................................................................27
2.2.7 Rizinusöl ...............................................................................28
2.2.8 Olivenöl ...............................................................................28
2.2.9 Färberdistelöl (Distelöl/ Safloröl) ........................................................29
2.2.10 Jatrophaöl .............................................................................29
2.2.11 Weitere Fette und Öle ..................................................................31
2.3 Einige Zahlen .........................................................................31
Weiterführende Literatur ..............................................................33
3 Fette Großprodukte / Oleochemische Basischemikalien ........................35
3.1 Herstellung oleochemischer Basischemikalien ........................................36
3.1.1 Fettspaltung ...........................................................................37
3.1.2 Umesterung ...........................................................................39
3.1.3 Verseifung .............................................................................40
3.1.4 Direkthydrierung .......................................................................41
3.2 Reaktionen an der Carboxygruppe der Fettsäuren .....................................42
3.2.1 Hydrierung zu Fettalkoholen ............................................................43
3.2.2 Umsetzungen von Fettalkoholen ........................................................46
3.2.3 Umsetzungen zu Fettaminen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.4 Weitere Fettsäurederivate ...............................................................53
Weiterführende Literatur ..............................................................56
VIII Inhaltsverzeichnis
4 Reaktionen an der Fettsäurekette / Oleochemische Spezialprodukte .........57
4.1 Synthese substituierter Fettsäuren ....................................................58
4.2 Reaktionen an der C=C-Doppelbindung ungesättigter Fettstoffe ......................59
4.2.1 Knüpfung neuer C–O-Bindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2.2 Knüpfung neuer C–C-Bindungen ........................................................61
4.2.3 Knüpfung neuer C–H-Bindungen ........................................................78
4.2.4 Weitere Additionen an die C=C-Doppelbindungen von Fettstoffen ........................80
Weiterführende Literatur ..............................................................83
5 Das Koppelprodukt der Oleochemie / Glycerin ..................................85
5.1 Eigenschaften und Verwendung des Glycerins .........................................86
5.2 Glycerinester ..........................................................................90
5.3 Glycerinether .........................................................................93
5.3.1 Glycerinoligomere ......................................................................93
5.3.2 Glycerinpolymere ......................................................................94
5.3.3 Glycerinalkylether ......................................................................94
5.3.4 Glycerinalkenylether. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.4 Glycerinacetale und -ketale ...........................................................95
5.5 Von Glycerin zu den Propandiolen .....................................................97
5.6 Von Glycerin zu Epichlorhydrin ........................................................98
5.7 Glycerin-Oxidation ....................................................................99
5.8 Dehydratisierung von Glycerin zu Acrolein ...........................................100
5.9 Von Glycerin zu Synthesegas .........................................................101
Weiterführende Literatur .............................................................104
II KOHLENHYDRATE
6 Süße Chemie / Mono- und Disaccharide .........................................109
6.1 Einführung in die Kohlenhydrate .....................................................110
6.2 Monosaccharide .....................................................................114
6.2.1 Fermentative Umsetzungen ............................................................114
6.2.2 Chemische Umwandlungen der Monosaccharide .......................................117
6.3 Disaccharide .........................................................................127
6.3.1 Saccharosegewinnung ................................................................129
6.3.2 Saccharoseverarbeitung ...............................................................132
6.4 Ausblick auf weitere Oligo- und Polysaccharide ......................................136
Weiterführende Literatur .............................................................139
7 Von Holz zu Zellstoff / Cellulose ..................................................141
7.1 Vorkommen und Gewinnung von Cellulose. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
7.2 Herstellung von Papier ...............................................................145
7.3 Derivatisierung der Cellulose .........................................................147
7.3.1 Regenerierte Cellulose .................................................................149
7.3.2 Celluloseester .........................................................................151
7.3.3 Celluloseether ........................................................................152
Weiterführende Literatur .............................................................156
IIXX
Inhaltsverzeichnis
8 Starke Chemie / Stärke ............................................................159
8.1 Struktur und Vorkommen ............................................................160
8.2 Stärkegewinnung ....................................................................163
8.3 Verwendung von Stärke ..............................................................164
8.4 Stärkeprodukte ......................................................................166
8.4.1 Partiell hydrolysierte Stärken ...........................................................166
8.4.2 Verzuckerungsprodukte von Stärke .....................................................168
8.4.3 Chemische Derivatisierung von Stärke ..................................................168
Weiterführende Literatur .............................................................174
9 Kohlenhydrate aus dem Meer / Chitin und Chitosan ............................177
9.1 Struktur und Vorkommen von Chitin und Chitosan ...................................178
9.2 Herstellung von Chitin und Chitosan .................................................180
9.3 Eigenschaften und Anwendungen von Chitin und Chitosan ..........................182
9.3.1 Eigenschaften und Anwendungen von Chitin ...........................................182
9.3.2 Eigenschaften und Anwendungen von Chitosan ........................................183
9.4 Weitere marine Polysaccharide .......................................................185
9.4.1 Alginsäure und Alginate ...............................................................185
9.4.2 Carrageene ...........................................................................186
9.4.3 Agar-Agar .............................................................................186
Weiterführende Literatur .............................................................188
10 Runde Kohlenhydrate / Cyclodextrine ...........................................191
10.1 Struktur der Cyclodextrine ...........................................................192
10.2 Herstellung von Cyclodextrinen ......................................................193
10.3 Anwendungen von Cyclodextrinen ...................................................194
10.4 Derivate der Cyclodextrine ...........................................................197
Weiterführende Literatur .............................................................198
III LIGNIN
11 Der „Holzstoff“ / Lignin ............................................................201
11.1 Vorkommen von Lignin ..............................................................202
11.2 Struktur von Lignin ...................................................................204
11.2.1 Monolignole ..........................................................................204
11.2.2 Bindungsmuster von Lignin ............................................................205
11.2.3 Zusammensetzung von Lignin .........................................................206
11.3 Ligningewinnung ....................................................................207
11.3.1 Klassische Holzaufschlussverfahren ....................................................207
11.3.2 Alternative Holzaufschlussverfahren zur Ligningewinnung ..............................208
11.4 Verwendung von Lignin ..............................................................210
11.4.1 Verwendung von Lignin als Dispergiermittel ............................................210
11.4.2 Verwendung von Lignin in Biowerkstoffen ..............................................210
11.4.3 Verwendung von Lignin zur Herstellung von Chemikalien ...............................211
Weiterführende Literatur .............................................................216
X Inhaltsverzeichnis
IV TERPENOIDE
12 Der Balsam der Bäume / Terpene .................................................219
12.1 Aufbau und Gewinnung der Terpene .................................................220
12.2 Monoterpene ........................................................................223
12.3 Höhere Terpen-Oligomere ............................................................228
Weiterführende Literatur .............................................................232
13 Gib Gummi! / Naturkautschuk und seine Verarbeitung ........................233
13.1 Einführung in die Polyterpene ........................................................234
13.2 Gewinnung von Naturkautschuk .....................................................235
13.3 Eigenschaften, Verarbeitung und Verwendung von Naturkautschuk ..................238
Weiterführende Literatur .............................................................244
V WEITERE NATURSTOFFE
14 Bausteine des Lebens / Aminosäuren und Proteine ............................247
14.1 Aminosäuren .........................................................................248
14.2 Peptide ..............................................................................255
14.3 Proteine ..............................................................................256
Weiterführende Literatur .............................................................259
15 Nachhaltig Farbe bekennen! / Natürliche Farbstoffe ...........................261
15.1 Ein Blick in die Geschichte ............................................................262
15.2 Purpur ...............................................................................263
15.3 Alizarin ...............................................................................264
15.4 Indigo, der „König der Farbstoffe“ ....................................................265
15.5 Weitere natürliche Farbstoffe .........................................................268
Weiterführende Literatur .............................................................270
16 Die Natur als Apotheke / Natürliche Pharmaka .................................273
16.1 Arzneimittel aus der Pflanzenwelt ....................................................274
16.2 Aspirin ...............................................................................275
16.3 Coffein ...............................................................................276
16.4 Chinin ................................................................................278
16.5 Morphin ..............................................................................280
16.6 Penicilline und Cephalosporine: Kleine Pilze, die Großes bewirken ...................282
16.7 Steroide ..............................................................................283
Weiterführende Literatur .............................................................288
17 Die lebensnotwendigen „Amine“ / Vitamine ....................................289
17.1 Übersicht über die Vitamine ..........................................................290
17.2 Die Vitamine im Einzelnen ............................................................291
17.2.1 Vitamin A (Retinol) ....................................................................291
17.2.2 Vitamin B (Thiamin) ...................................................................291
1
17.2.3 Vitamin B (Riboflavin) .................................................................292
2