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Oleochemie
Die Oleochemie (auch Fettchemie) ist ein Zweig der Chemie, der sich mit dem Studium von pflanzlichen und tierischen Fetten, ihren Folgeprodukten, sowie mit …
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Grundidee und Bedeutung
Die Oleochemie, auch Fettchemie genannt, ist ein Zweig der Chemie. Sie untersucht pflanzliche und tierische Fette, ihre Folgeprodukte und entsprechende Produktäquivalente, die petrochemisch hergestellt werden. Weil sie überwiegend mit nachwachsenden Rohstoffen arbeitet, ist sie eng mit Nachhaltigkeit verbunden.
Pflanzliche und tierische Fette heißen in der Chemie Triacylglyceride oder Triglyceride. Sie bestehen aus einem Glycerinrest, an den über Esterbindungen drei Fettsäurereste gebunden sind. Diese Fettsäurereste können gesättigt, einfach ungesättigt oder mehrfach ungesättigt sein. Ihre Kohlenstoffketten sind unverzweigt, verzweigt oder anders modifiziert und besitzen etwa 10 bis 20 oder mehr Kohlenstoffatome. Dadurch gibt es eine große Vielfalt an Fetten und Ölen. Öle enthalten einen höheren Anteil an ungesättigten, also essentiellen, Fettsäureresten als Fette; die C=C-Doppelbindungen sind praktisch immer cis-konfiguriert.
Oleochemie beschäftigt sich mit diesen Stoffen, mit daraus abgeleiteten Substanzen sowie mit den chemischen Reaktionen und Herstellungsprozessen, durch die daraus nutzbare Produkte entstehen.
Entwicklung und Rohstoffe
Öle und Fette sind ein wichtiger, energiereicher Bestandteil der Nahrung. Ihre stoffliche Nutzung ist ebenfalls historisch bedeutsam. Als erste oleochemische Anwendung gilt die Herstellung von Seifen. Früh bekannt war auch die energetische Nutzung, zum Beispiel als Brennstoff für Öllampen.
Die moderne Oleochemie begann im 19. Jahrhundert mit der systematischen Untersuchung von Eigenschaften und chemischen Reaktionen. Heute ist sie in vielen Bereichen vertreten: Nahrungsmittelherstellung, Kosmetik, Pharmazie, industrielle Grundchemikalien und Energiesektor, besonders bei Biodiesel. Ungefähr ein Siebtel der weltweit hergestellten Menge an Ölen und Fetten wird oleochemisch verarbeitet.
Natürlich vorkommende Fette und Öle unterscheiden sich vor allem durch die Verteilung der Kettenlängen und durch die Zahl der Doppelbindungen in der Kohlenstoffkette. Beispiele für wichtige Fettsäuren sind Laurinsäure mit 12 Kohlenstoffatomen aus der Kokospalme für Reinigungsmittel, Palmitinsäure mit 16 Kohlenstoffatomen aus der Ölpalme für Margarine und Biodiesel, Ölsäure mit 18 Kohlenstoffatomen aus Raps für Speiseöl und Biodiesel sowie Erucasäure mit 22 Kohlenstoffatomen aus Raps und Krambe für Schmiermittel. Weitere genannte Quellen sind Cuphea, Muskat, Koriander, Lein, Leindotter, Ringelblume, Ricinus, Vernonia, Euphorbia, Aleurites, Limnanthes und Lunaria.
Sojaöl war 2016 mit einem Anteil von 61 % weltweit vor Palm- und Rapsöl das am meisten produzierte Pflanzenöl. Der Gesamtverbrauch betrug 2016 insgesamt 340,8 Millionen Tonnen. Technisch bedeutende Öle unterscheiden sich stark in ihren Fettsäureresten: Palmkernöl enthält zum Beispiel hohe Anteile kürzerer Fettsäuren, Palmöl viel Palmitinsäure und Ölsäure, Rapsöl viel Ölsäure, Linolsäure und Linolensäure, Sojaöl viel Linolsäure und Ölsäure. Bei Sojaöl wird für Linolensäure ein Wert von 7 % oder <1 angegeben.
Wichtige Anwendungen
Nachwachsende Rohstoffe decken derzeit ungefähr zehn Prozent des Rohstoffbedarfs der chemischen Industrie. Ein großer Teil davon stammt aus Oleochemikalien. Eine der mengenmäßig größten Anwendungen ist die Herstellung von Biodiesel durch Umesterung mit Methanol.
Auch Tenside sind wichtige Produkte. Tenside sind Stoffe, die Grenzflächen beeinflussen und deshalb zum Beispiel in Reinigungs- und Pflegeprodukten verwendet werden. Aus der Fettsäure Laurinsäure kann Natriumlaurylsulfat hergestellt werden, ein anionisches Tensid und wichtiger Inhaltsstoff vieler Hautpflegeprodukte. Bei Zuckertensiden, also nichtionischen Tensiden, wird eine Fettsäure an einen Zucker gebunden. Ein Beispiel ist ein Saccharosestearinsäureester aus Saccharose und Stearinsäure.
Weitere Anwendungen sind Schmieröle, Lösungsmittel sowie Bio- und Copolymere für Kunststoffe und Lacke. Glycerin wird vielfältig im Kosmetikbereich genutzt. Da es durch die Biodieselproduktion in großen Mengen verfügbar ist, wird es außerdem als Tierfutter, energetisch und anderweitig verwendet.
Reaktionen an der Carboxygruppe
Viele oleochemische Prozesse laufen an der Carboxygruppe (-COOH) der Fettsäuren ab. Diese Gruppe ist eine funktionelle Gruppe, also ein reaktiver Teil eines Moleküls, der dessen chemisches Verhalten stark bestimmt. Die Chemie der Fettsäurekette selbst ist bisher nur wenig genutzt, mit Ausnahme des Rizinusöls: Dessen Fettsäurekette besitzt von Natur aus eine Hydroxygruppe. Die Erforschung solcher Reaktionen könnte ein großes technisches Potenzial haben und wird durch Programme des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) unterstützt. Auch die biotechnologische Umsetzung der Öle ist wegen ihrer biogenen Herkunft naheliegend, aber bisher ebenfalls nur wenig erforscht.
Bei der Hydrolyse von Triglyceriden entstehen Fettsäuren und Glycerin. Die Reaktion kann säure- oder basenkatalysiert durchgeführt werden. Im dargestellten Schema reagiert ein Triglycerid mit 3 H2O unter NaOH zu 3 RCOONa und Glycerin; anschließend kann RCOONa mit H+ zu RCOOH und Na+ umgesetzt werden. Aus Fettsäuren lassen sich weitere Produkte herstellen, darunter Nitrile und deren Folgeprodukte, Fettsäureamide oder Säurechloride.
Die Umesterung ist die Reaktion von Fetten und Ölen mit einem Alkohol. Sie wird großtechnisch zur Produktion von Biodiesel eingesetzt und in der Technik basenkatalysiert durchgeführt. Bei vollständiger Umsetzung entstehen aus einem Triacylglycerid drei Fettsäuremethylester, abgekürzt FAME, aus denen Biodiesel besteht, sowie als Koppelprodukt ein Molekül Glycerin. Die Methylester ungesättigter Fettsäuren können danach weitere Reaktionen eingehen, etwa Hydrierung, Metathese oder Epoxidierung.
Die Verseifung ist einer der ältesten bekannten chemischen Prozesse und wurde schon von den Sumerern genutzt. Dabei wird ein Triglycerid, also ein Triester des Glycerins, mit einer Base wie Natronlauge zum Metallsalz der Fettsäure umgesetzt. Die entstehende Seife besteht aus Natriumsalzen von Fettsäuren und zählt zu den anionischen Tensiden. R1, R2 und R3 stehen dabei für Organylreste, also Alkyl- oder Alkenylreste von Fettsäuren.
Bei der Hydrierung von Methylestern entstehen Fettalkohole. Diese sind wichtige Rohstoffe für anionische Tenside. Durch Ethoxylierung und anschließende Sulfatierung mit gasförmigem Schwefeltrioxid entstehen Laurylethersulfate, die in Körperpflegemitteln eingesetzt werden. Fettalkohole dienen außerdem zur Herstellung von Alkylpolyglycosiden, Tensiden mit einem Zuckerrest als hydrophiler Gruppe.
Reaktionen an der Kohlenstoffkette
Neben der Carboxygruppe kann auch die Kohlenstoffkette der Fettsäuren chemisch verändert werden, besonders wenn sie Doppelbindungen enthält. Bei der Metathese ungesättigter Fettsäureester entstehen verschiedene Folgeprodukte, zum Beispiel ungesättigte Dicarbonsäureester und interne Olefine. Durch Ethenolyse lassen sich ω-ungesättigte Fettsäureester herstellen; als Beiprodukt entstehen α-Olefine. Beide Produktarten können als Copolymerisations-Komponenten bei der Polymerisation von Ethylen nach dem Ziegler-Natta-Verfahren eingesetzt werden. Dadurch entsteht funktionalisiertes Polyethylen.
Eine weitere wichtige Reaktion ist die Epoxidierung. Ungesättigte Methylester können durch die Prileschajew-Reaktion mit einer organischen Peroxycarbonsäure epoxidiert werden. Die entstehenden Produkte können als PVC-Stabilisatoren oder als reaktive Lösungsmittel in der Lack-Chemie eingesetzt werden.
Petrochemische Herstellung
Die Oleochemie befasst sich nicht nur mit Stoffen aus pflanzlichen und tierischen Fetten, sondern auch mit Oleochemikalien auf petrochemischer Basis. Ein Beispiel ist die Herstellung von Glycerin aus Propylen. Dabei erfolgt die Umsetzung über die Stufen Allylchlorid, Dichlorhydrin und Epichlorhydrin. Epichlorhydrin kann anschließend mit Natronlauge zu Glycerin umgesetzt werden.
