Pflanzenschutzmittel (Teil 1)

Kulturpflanzen für die Ernährung

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

Pflanzenschutzmittel sind ein weltweiter Milliardenmarkt

Der Weltmarkt für Pflanzenschutzmittel ist groß. Das mit Abstand größte Produktionsvolumen entfällt auf Herbizide, gefolgt von Insektiziden und Fungiziden. Im Jahr 2018 wurden weltweit knapp 48 Milliarden Euro mit Pflanzenschutzmitteln umgesetzt - ein Plus von 0,5 Prozent gegenüber dem Vorjahr. 2021 stagnierte der weltweite Umsatz. Der mit Abstand größte Markt ist Asien vor Lateinamerika und Europa.

In Deutschland lag der Umsatz im gleichen Zeitraum bei 1,3 Milliarden Euro. Die Menge der in Deutschland verkauften Pflanzenschutzmittel lag 2016 bei rund 48.000 Tonnen und hat sich damit innerhalb von zehn Jahren verdoppelt (2006: rund 32.000 Tonnen). Davon entfallen rund 40 Prozent auf Herbizide (Unkrautbekämpfungsmittel), rund 25 Prozent auf Fungizide (gegen Pilze und deren Sporen) und rund 30 Prozent auf Insektizide (zur Abtötung, Vertreibung oder Hemmung von Insekten und deren Entwicklungsstadien). Der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln in Deutschland ging im Zeitraum 2014 bis 2020 kontinuierlich von 1,6 Mrd. Euro auf 1,15 Mrd. Euro zurück. Im Jahr 2021 stieg der Verbrauch auf 1,2 Mrd. Euro. In Deutschland waren im Jahr 2016 rund 270 Wirkstoffe in insgesamt 753 verschiedenen Pflanzenschutzmitteln zugelassen. Weltweit arbeitet die Forschung mit Hochdruck an der Entwicklung neuer, nachhaltiger Wirkstoffe, die nach ihrer Wirkungsentfaltung rückstandsfrei abgebaut werden.

Mehrstufiger Produktionsprozess mit hohen Anforderungen

Die Syntheseschritte zur Herstellung von Pflanzenschutzmitteln unterscheiden sich naturgemäß je nach Wirkstoff und gewünschter Applikationsform. Die grundlegenden Verfahrensschritte sind jedoch für pulverförmige Ausgangsstoffe ähnlich. Zunächst wird im Reaktor ein Lösungsmittel vorgelegt, die pulverförmigen Edukte werden zugegeben und homogen gelöst bzw. suspendiert. In dieser flüssigen Phase findet unter Erwärmung die erste Synthesereaktion statt. Zur Förderung der Reaktionskinetik kann der Rührvorgang durch Umwälzpumpen unterstützt werden. Nach Abschluss der Reaktion liegt die neue Substanz in flüssiger Form vor. Sie wird mit Additiven vermischt, um die Kristallisation des neuen Zwischenprodukts einzuleiten. Die Kristallisation/Flockung kann durch geschickte Temperaturführung begünstigt werden. Im Moment des Phasensprungs (flüssig zu kristallin/fest) ist eine besonders schonende Mischwirkung erforderlich, insbesondere wenn die kristallinen Strukturen erhalten bleiben soll.

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Die suspendierten Feststoffe bleiben in der Regel pumpfähig und werden im nächsten Verfahrensschritt einer mehrstufigen Wäsche unterzogen. Hier werden die Wirkstoffkristalle meist mit Wasser oder Lösemittel von Reagenzien befreit. Weitere Reinigungsschritte können folgen. Die mechanische Fest-Flüssig-Trennung erfolgt mit Hilfe von kontinuierlich arbeitenden Zentrifugen, die bevorzugt eingesetzt werden. Nicht selten werden Kammerfilterpressen eingesetzt. In der Regel werden für die mechanische Fest-Flüssig-Trennung gasdichte, geschlossene Systeme bevorzugt. Der erste Syntheseschritt wird durch die thermische Trocknung im Vakuum-Mischtrockner abgeschlossen. Ziel ist es, die Partikelstruktur und -größe zu erhalten. Außerdem sollen die Lösungsmittel zurückgewonnen werden.

Mit der Vakuumtrocknung wird die jeweilige Synthesestufe beendet

Die Vakuumtrocknung liefert ein erstes pulvriges Syntheseprodukt, das als Edukt für einen zweiten Syntheseschritt dienen kann. Moderne, hochwirksame Pulverchemikalien sind meist das Ergebnis mehrerer Syntheseschritte, die fast immer mit einer Vakuum-Mischtrocknung enden. Dabei wird der Wirkstoff mit jedem Syntheseschritt wertvoller und oft auch empfindlicher. Bei der Trocknung ist es daher wichtig, thermischen und mechanischen Stress zu vermeiden. 

Ist das Syntheseprodukt trocken und kühl genug, um aus dem Vakuumtrockner ausgetragen zu werden, reichen in der Regel wieder einfache Edelstahlwerkstoffe wie 1.4571 oder 1.4404 aus.

Teil der Entwicklung ist die Evaluierung verschiedener Produktformulierungen: Eine davon ist z.B. die Mikronisierung von pulverförmigen Wirkstoffen und deren anschließende Agglomeration. Agglomerierte Produkte sind in ihrem Mischungszustand fixiert, staubarm und gut in Wasser suspendierbar/löslich. Feinste Partikel können dauerhaft im Wasser schweben, ohne zu sedimentieren. Die klumpenfreie, homogene Suspension/Lösung kann vom Landwirt gleichmäßig ausgebracht werden.

Ein weiterer Qualitätsaspekt von vielen ist die Langzeitstabilität - egal in welcher Klimazone der Erde das Pflanzenschutzmittel eingesetzt wird. Es darf sich nicht zersetzen und muss gut löslich/dispergierbar bleiben.

Im amixon-Technikum können die Aufbereitungsschritte Synthese, Vakuum-Kontakttrocknung, Homogenisierung und Aufbaugranulierung demonstriert werden. amixon verfügt über jahrzehntelange Erfahrung in der Auslegung von Prozessmaschinen, die 10 bis 50 mal größer sind als die Versuchsmaschinen.