Pflanzenschutzmittel (Teil 1)

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Sorgfältiger Umgang mit wertvollen Hochkonzentraten

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Um Pflanzenschutzmittel herzustellen, sind moderne Prozessanlagen notwendig. Denn die hochwirksamen Substanzen sind nicht nur wertvoll im doppelten Wortsinn, sondern wegen ihrer im Prozess hohen Konzen­tration für den Anlagenbediener nicht ungefährlich. Für mehr Sicherheit finden die mehrstufigen Synthesen und Formulierungsschritte daher in geschlossenen Systemen statt.

Dieser zweiteilige Beitrag beschreibt, wes­halb amixon-Apparate aufgrund ihrer besonderen Konstruktionsmerkmale in diesem herausfordernden Umfeld zur Effizienz viel beitragen und die Ausbringungsmenge einer Produktion entscheidend beeinflussen können. Im ersten Teil geht es um die Syntheseschritte im Prozess der Pflanzen­schutzmittel-Herstellung und um die besonderen Herausforderungen und ihre apparatetechnischen Lösungen.

Mehr als 7,8 Milliarden Menschen lebten bis Ende 2020 auf der Erde. Im Jahr 2050 werden es laut der aktuellen UN-Bevölkerungsprojektion 2019 rund 9,7 Milliarden Menschen sein. Um genügend Nahrungsmittel für die wachsende Weltbevölkerung produzieren zu können, kommt die Landwirtschaft weltweit nicht ohne Pflanzenschutzmittel oder Pestizide aus. Ohne Pflanzenschutzmittel wären die landwirtschaftlichen Erträge, die wir heute weltweit für selbstverständlich halten, nicht ansatzweise erzielbar.  

Der Begriff Pestizide ist ein Sammelbegriff und umfasst Wirkstoffe mit unterschiedlichem Wirkspektrum: zur Abwehr von Milben (Arkrizide), mikrobische Krankheitserregern (Bakterizide), Pilze oder ihre Sporen (Fungizide), vielzehrenden Unkräutern (Herbizide), Insektenschwärmen (Insektizide), Fadenwürmern (Nematizide), sowie schädlichen Nagetieren (Rodentizide) (siehe Tabelle 1).

Bei Pflanzenschutzmitteln handelt sich um chemische oder biologische Hightech-Wirkstoffe, die mit dem Ziel der Ertragsmaximierung gegen unerwünschte Organismen in der Landwirtschaft eingesetzt werden. Ihr großflächiger Einsatz birgt leider auch Risiken für die Umwelt, ist aber wegen ihres hohen Nutzens für die landwirtschaftliche Produktion alter­nativlos. Der Effekt ist so groß, dass selbst im Ökolandbau bestimmte Pflanzenschutzmittel eingesetzt werden dürfen, wenn durch vorbeugende Maßnahmen, wie beispielsweise die Fruchtfolge, das massenhafte Auf­treten von Schädlingen nicht verhindert werden kann. Welche Pflanzen­schutzmittel zum Beispiel im Ökolandbau eingesetzt werden dürfen sind, regeln die EU-Rechtsvorschriften für den ökologischen Landbau:  

„Bei einer festgestellten Bedrohung der Kulturen dürfen lediglich solche Pflanzenschutzmittel eingesetzt werden, die nach Artikel 16 für die Ver­wendung in der ökologischen/biologischen Produktion zugelassen wur­den.“
(Artikel 12 der Verordnung 834/2007). 

Pflanzenschutzmittel sind ein globaler Milliarden-Markt

Der weltweite Markt für Pflanzenschutzmittel ist groß. Das Produktionsvolumen der Her­bizide ist bei weitem das größte, gefolgt von Insektiziden und Fungiziden. 2018 wurden weltweit fast 48 Mrd. Euro mit Pflanzenschutzmitteln umgesetzt - das entspricht einem Plus von 0,5 Prozent gegenüber dem Vorjahr. Der mit Abstand wichtigste Markt ist Asien vor Lateinamerika und Europa. In Deutschland belief sich der Umsatz im selben Zeitraum auf 1,3 Milliarden Euro. Er ist hierzulande seit 2015 rückläufig 1.

Die Menge der in Deutschland abgesetzten Pflanzenschutzmittel lag 2016 bei etwa 48.000 Tonnen und hat sich damit in zehn Jahren um die Hälfte erhöht (2006 waren es ca. 32.000 Tonnen). Herbizide (Unkrautvernichtungsmittel) machen dabei etwa 40 % aus2, Fungizide (gegen Pilze und ihre Sporen) etwa 25 % und Insektizide (zur Abtötung, Vertreibung oder Hemmung von Insekten und deren Entwicklungsstadien) etwa 30 %3.

In Deutschland waren 2016 circa 270 Wirkstoffe in insgesamt 753 verschiedenen Pflanzenschutzmitteln zugelassen.

Die Forschung arbeitet derzeit an nachhaltigen Wirkstoffen, die sich nach dem Ausbringen im besten Fall rückstandslos zersetzen.


Langwierige und teure Entwicklung

Bis ein Pflanzenschutzmittel zugelassen und auf den Markt gebracht werden kann, bedarf es etwa zehn Jahre intensiver Entwicklungsarbeit. In dieser Zeit investiert der Hersteller etwa 200 Millionen Euro, führt ungefähr 200 Studien durch und testet anhand von mehr als 800 Param­etern.

Im Labor werden zunächst geeignete Substanzen gesucht und in Modellversuchen getestet. Schon für diese Tests werden die eigentlichen Wirkstoffe als sogenannte Formulierungen in landwirtschaftlich anwendbare Produkte umgewandelt. Für diese Formulierungen werden sogenannte Trägerstoffe – Gesteinsmehle oder organische Lösungsmittel – sowie Hilfsstoffe (meist Tenside als Emulgatoren, Netz oder Haftmittel) verwendet. Aufgabe der Formulierung­shilfsstoffe ist, die Wirkstoffe technisch sicher und anwendbar zu machen, damit ihre Ausbrin­gung sicher und ihre Wirksamkeit optimal ist.

Anschließend werden unterschiedliche Aufbereitungstechnologien gegeneinander abgewo­gen: beispielsweise die Mikronisierung – sehr feines Zermahlen für eine gleichmäßige Sus­pendierung im Wasser und dann später die sichere Versprühung oder Vertröpfelung auf der Nutzpflanze – oder die Verkapselung, die die Verfügbarkeit und Wirkung der Substanz für einen längeren Zeitraum selbsttätig reguliert.

Wenn alle Parameter und weitere anwendungsbezogene Merkmale optimiert sind, werden im Technikum Pilotversuche durchgeführt, um die Prozessparameter zu optimieren. Ziel ist, den Wirkstoff rein, stabil, hochkonzentriert und reproduzierbar zu synthetisieren. Diese Projektphase ist verfahrenstechnisch besonders herausfordernd. Denn die hier pilotierten Apparate müssen hinreichend Scale-up fähig sein, um die späteren Massenströme und Chargengrößen zu bewälti­gen, die in der Regel um die Faktoren 20 bis 100 größer sind. 

Diagramm Pflanzenschutzmitttel


Mehrstufiger Produktionsprozess mit hohen Anforderungen

Die Syntheseschritte zur Herstellung von Pflanzenschutzmitteln unterscheiden sich naturgemäß je nach Wirkstoff und gewünschter Ausbringungsform. Die grundlegenden Prozessschritte sind jedoch für die als Pulver erhältlichen Grundsubstanzen ähnlich.

Zunächst wird im Reaktor ein Lösungsmittel vorgelegt, pulvrige Reagenzien werden zugefügt und gelöst oder homogen suspendiert. In dieser Flüssigphase findet der erste Reaktionsschritt statt. Der Rührprozess kann durch Umlaufpumpung unterstützt werden, um die Reaktionskinetik zu begünstigen. Nach vollständigem Ablauf der Reaktion liegt der neue Stoff in Flüssigform vor. Er wird mit Additiven vermischt, um eine Kristallisation des Wirkstoffs auszulösen, was durch geschickte Temperaturänderungen begünstigt wird. Im Moment des Phasensprungs ist eine besonders effektive Mischwirkung notwendig – vor allem wenn sehr schnell, gleichmäßig und schonend zu kühlen ist.

Die weiterhin suspendierten Feststoffe bleiben in der Regel pumpfähig und werden im nächsten Prozessschritt einer mehrstufigen Wäsche unterzogen. Hier werden die Wirkst­offkristalle zumeist mit Wasser oder Lösemittel von Reagenzien befreit. Es können weitere Aufreinigungsstufen erfolgen. Es erfolgt die mechanische Fest-Flüssigtrennung mit Hilfe von kontinuierlich arbeitenden Zentrifugen, die bevorzugt eingesetzt werden oder zuweilen auch Filterpressen. In der Regel sind gasdicht geschlossene Systeme zu bevorzugen. Zu­letzt findet die thermische Trocknung statt.


  1. https://de.statista.com/infografik/5108/weltweiter-umsatz-mit-pflanzenschutzmittel/
  2. Umweltbundesamt
  3. https://de.statista.com/infografik/11611/umsatz-und-absatz-auf-dem-deutschen-pflanzenschutzmarkt/

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