Harnstoff (Urea) – Anwendungen, Eigenschaften und Bedeutung für die Industrie

Harnstoff, auch bekannt als Urea, ist eine organische chemische Verbindung mit der Formel CO(NH 2)2, die in vielen Bereichen der Industrie und Medizin eine Schlüsselrolle spielt. Als Derivat des Ornithinzyklus, in dem er Produkt des Ammoniakstoffwechsels ist, stellt er einen wichtigen Metaboliten in lebenden Organismen dar. Es ist daher nicht verwunderlich, dass er derzeit eine breite Anwendung und Bedeutung in vielen Industriesektoren und in Kosmetikprodukten findet.

Veröffentlicht: 22-01-2025

Was ist Harnstoff und welche Eigenschaften hat er?

Harnstoff (auch Karbamid genannt) ist eine nicht brennbare, kristalline Substanz, die in der Regel weiß oder farblos ist, einen leicht ammoniakartigen Geruch hat und einen salzigen Geschmack aufweist. Es handelt sich um eine hygroskopische Substanz, was bedeutet, dass sie leicht Feuchtigkeit aus der Umgebung aufnimmt und sich sehr gut in Wasser löst. Bei längerer Lagerung in wässrigen Lösungen kann Harnstoff zersetzen, wobei Ammoniak und Kohlendioxid entstehen

Technischer Harnstoff findet  in vielen Branchen  Anwendung. Er wird  als Komponente  von Düngemitteln und   Zusatz in Tierfutter verwendet. Er dient  auch als Rohstoff für  die Herstellung von Kunststoffen, feuerfesten Imprägnierungen und Klebstoffen.

In Tierversuchen zeigte Harnstoff eine nur geringe akute und chronische Toxizität, keine Karzinogenität und keine nachteiligen Auswirkungen auf die Fortpflanzungsfähigkeit. In der Europäischen  Union gibt es keine harmonisierte Klassifizierung  der Toxizität von Harnstoff. Dieser Stoff zeichnet sich durch einen sehr niedrigen Dampfdruck aus, was bedeutet, dass die Exposition hauptsächlich durch das Einatmen von Staub erfolgt. Um Arbeitskräfte vor den potenziellen Problemen im Zusammenhang mit Harnstoffstaub in der Luft zu schützen, wurde ein Höchstkonzentrationsgrenzwert (MEL) von 10 mg/m^3 vorgeschlagen. Dieser Wert steht im Einklang mit den Normen für andere Staubarten, die zwar nicht als giftig eingestuft sind, aber aufgrund einer verminderten Sichtbarkeit ein Risiko darstellen können.

Hinzu kommt:  

  • Harnstoff ist eine hygroskopische feste Substanz, die gut in Wasser, Methanol, Ethanol, Glycerin, Dimethylsulfoxid (DMSO), Essigsäure und konzentrierter Salzsäure löslich ist.
  • In wässrigen Lösungen unterliegt er einer langsamen Hydrolyse, wobei Ammoniak und Kohlendioxid entstehen.  Der Hydrolyseprozess  kann durch Erhitzen sowie durch Zugabe von Säuren oder Basen beschleunigt werden.
  • Harnstoff ist sehr schlecht löslich in Benzol und Chloroform sowie schlecht löslich in Ethylether.
  • Harnstoff kann mit bestimmten Substanzen reagieren und Produkte mit starken explosiven Eigenschaften bilden (z. B. bei Reaktionen mit Chloraten(I) von Natrium oder Kalzium).

Der Herstellungsprozess von Harnstoff — vom Rohstoff bis zum Endprodukt

#1. Synthese von Ammoniak

Die Herstellung von Harnstoff beginnt mit der Synthese von Ammoniak, hauptsächlich nach dem Haber-Bosch- Verfahren. Dieser Prozess basiert auf der Reaktion von Stickstoff (N2) mit Wasserstoff (H2), deren Quelle hauptsächlich Erdgas ist. Hoher Druck und Temperatur (ca. 450°C und 200 atm) sowie das Vorhandensein eines auf Eisen basierenden Katalysators ermöglichen die Durchführung dieser exothermen Reaktion.

#2. Harnstoff-Synthese  

Der nächste Schritt ist die Reaktion von Ammoniak  mit  Kohlendioxid (CO2) zur Herstellung von Harnstoff. Dieser Prozess erfolgt in zwei Hauptstufen. Die erste ist die Reaktion zur Bildung  von Ammoniumkarbamat, die zweite zur Zersetzung  von Ammoniumkarbamat. Ammoniumkarbamat wird  dann unter  hohem  Druck (150-250 atm) und Temperatur (180-190°C) in Harnstoff und Wasser umgewandelt.

#3. Kondensation und Kristallisation

Die entstandene Harnstofflösung wird dann durch Wasserentzug in einer Vakuumverdampfungsanlage konzentriert. Dieser Prozess führt zur Gewinnung von Harnstoff in Form einer konzentrierten Lösung.

#4. Granulierung  

Die konzentrierte Harnstofflösung wird abgekühlt und dann in speziellen Trommel-  oder Plattengranulatoren granuliert, wo der Harnstoff unter Einwirkung von Bewegung und zusätzlicher Kühlung kristallisiert und Granulate bildet.

Die Harnstoffgranulate werden dann in Trommeltrocknern getrocknet, um überschüssige Feuchtigkeit zu entfernen und anschließend in Kühlanlagen  gekühlt.  Dieser Prozess gewährleistet die Stabilität  der

Granulate und optimiert ihre physikalischen Eigenschaften.

#5. Verpackung und Lagerung

Schließlich wird der fertige  Harnstoff entweder in Säcke verpackt oder direkt zu Lagerbehältern transportiert, von wo aus er an die Endverbraucher verteilt wird.

Eine Frau hält ein Reagenzglas mit Harnstoff, im Hintergrund Pflanzen im Gewächshaus

Die Bedeutung von Harnstoff in der Industrie

In der katalytischen Reduktionstechnologie (SCR) hilft Harnstoff, die Emission von Stickoxiden aus stationären und mobilen Quellen zu senken. In der pharmazeutischen, kosmetischen und haushaltschemischen Industrie wird Harnstoff als Bestandteil vieler Präparate geschätzt. Außerdem wird er bei der Bekämpfung von Eis auf Straßen, Schienen und Landebahnen eingesetzt, in der Lebensmittelindustrie wird er Bäckereiprodukten, alkoholischen Getränken und Gelatineprodukten zugesetzt.

Harnstoff in der Landwirtschaft

Aufgrund seines hohen Stickstoffgehalts (ca. 46 %) findet Harnstoff Anwendung in Düngungsprogrammen, die das intensive Pflanzenwachstum unterstützen. Heute wird er in Form von Granulaten oder Lösungen verwendet, wobei er schnell zu Ammoniak und Kohlendioxid hydrolysiert, was den für Pflanzen verfügbaren Stickstoff freisetzt. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass aufgrund der hohen Volatilität von Ammoniak eine schnelle Einarbeitung des Harnstoffs in den Boden nach der Anwendung erforderlich ist, um Stickstoffverluste zu minimieren.

Hier erfahren Sie mehr: https://www.products.pcc.eu/de/blog/was-sind-organische-duengemittel-und-was-sollte-man-ueber-sie-wissen/

Harnstoff in der Kosmetik

Harnstoff ist einer der wirksamsten, Feuchtigkeit spendenden Inhaltsstoffe, die in der Kosmetikindustrie verwendet werden. Er ist Bestandteil des natürlichen Feuchthaltefaktors (NMF), der in den Keratinozyten vorkommt und für die Aufrechterhaltung eines angemessenen Feuchtigkeitsniveaus in der Hornschicht entscheidend ist (sog. Feuchthaltemittel). Die Wirksamkeit von Harnstoff in Kosmetika hängt von seiner Konzentration ab: In niedrigen Dosen hat er hauptsächlich eine feuchtigkeitsspendende Wirkung, während er in höheren Konzentrationen keratolytische Eigenschaften besitzt. Interessanterweise werden auch seine Derivate verwendet, z. B. Allantoin, das zur Regeneration der Epidermis beiträgt. [2]

Hier erfahren Sie mehr: https://www.products.pcc.eu/de/blog/die-zusammensetzung-von-kosmetika/, weiter unter: https://www.products.pcc.eu/de/inci-namen/

Harnstoff in der pharmazeutischen Industrie

In der Pharmaindustrie wird Harnstoff als osmotisches Mittel in Diuretika und als Bestandteil von Cremes und Salben zur Behandlung von Hautkrankheiten wie Psoriasis und Ekzemen verwendet. Weitere Informationen unter: https://www.products.pcc.eu/de/k/pharmazeutische-branche/

Harnstoff in der Textilindustrie

Interessanterweise wird Harnstoff auch als Zusatz zu Farbstoffen  verwendet. Aufgrund seiner chemischen Eigenschaften verbessert  er die Löslichkeit  und Stabilität  von Farbstoffen, was bei der Herstellung von hochintensiven Farben von entscheidender Bedeutung ist. Harnstoff wird auch bei der Herstellung bestimmter Arten von Stoffen verwendet.

künstlich  und als Weichmacher.

Harnstoff in der chemischen Industrie

Harnstoff dient als Rohstoff für die Herstellung zahlreicher chemischer Erzeugnisse, darunter auch für die Produktion von Harnstoff-Formaldehydharzen, die in der Holz- und Möbelindustrie als Klebstoffe weit verbreitet sind. Diese Harze haben eine außergewöhnliche Haltbarkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit und werden bei der Herstellung von Spanplatten und Sperrholz verwendet.

Lager mit Chemikalien

Auswirkungen von Harnstoff auf die Umwelt –Herausforderungen und Lösungen

Herausforderung #1: Eutrophierung von Oberflächengewässern

Der übermäßige Einsatz von Harnstoff in der Landwirtschaft kann dazu führen, dass überschüssiger Stickstoff in Flüsse und Seen gespült wird . Dies kann wiederum eine Eutrophierung bewirken, d.h. ein übermäßiges Wachstum von Algen und anderen Wasserpflanzen, was das Gleichgewicht der Ökosysteme stört und den Sauerstoffgehalt im Wasser verringert.

Angesichts dieser Herausforderung ist es von entscheidender Bedeutung, Praktiken für das Düngemanagement zu entwickeln, z. B. den Einsatz der GPS-Technologie zur Kontrolle der optimalen Ausbringungsmengen.

Herausforderung #2: Treibhausgasemissionen

Die Hydrolyse von Harnstoff im Boden führt zur Produktion von Ammoniak, der sich in Stickoxide (NOx) umwandeln kann – starke Treibhausgase. Die Emission von NOx trägt zur globalen Erwärmung und zu Problemen mit der Luftqualität bei, daher ist die Implementierung von Technologien zur Reduzierung der Emissionen von Ammoniak und NOx in der Landwirtschaft notwendig. Dazu gehören zum Beispiel die Optimierung des pH-Werts im Boden und der Einsatz von Urease-Inhibitoren, die den Abbau von Harnstoff verlangsamen.

Quellen:
  1. SKOWROŃ, J. Mocznik–frakcja wdychalna.
  2. Kapuścińska, A., & Nowak, I. (2014). Wykorzystanie mocznika i jego pochodnych w przemyśle kosmetycznym. Chemik, 68(2), 91-96.

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