Chemie aus der Natur

Auch aus Reststoffen wie Molke oder Krabbenschalen lassen sich Kunststoffe, Lacke und Feinchemikalien herstellen. Wissenschaft und Wirtschaft bauen hierfür neue Prozesse auf. Zahlreiche Verfahren funktionieren schon im Labor oder in Technikumsanlagen. Nun müssen sie in einen Pilot- bis Demonstrationsmaßstab überführt werden.

Handys, Spielzeug, Computer, Haushaltsgeräte – fast jeder Alltagsgegenstand wird zum Teil aus Erdöl gemacht. Das schwarze Gold enthält viel Kohlenstoff und ist deshalb einer der wichtigsten Ausgangsstoffe für die chemische Industrie. Es steckt in zahlreichen Kunststoffen, Teppichböden, Gardinen, Wandfarben, Lacken, Seifen, Parfüms oder Haarsprays. Aber Kohlenstoff ist nicht nur im Erdöl, sondern auch in nachwachsenden Rohstoffen enthalten. Doch noch werden diese Kohlenstoffquellen kaum genutzt. Bislang gibt es erst einige wenige Biokunststoffe aus Cellulose, Stärke, Zucker, Milchsäure. Zudem gibt es einige erdölfreie Waschmittel und Kosmetika aus Pflanzenölen.

Aber lässt sich Erdöl überhaupt durch Biomasse ersetzen? Welche chemischen Stoffe können aus Pflanzen und Co. gewonnen werden? Diese und andere Fragen hat das US-amerikanische Energieministerium untersucht. Das Ergebnis: Einige Basischemikalien wie Milchsäure oder Sorbit lassen sich aus nachwachsenden Rohstoffen herstellen. Mithilfe dieser Grundbausteine können auch komplexe chemische Verbindungen aufgebaut werden – etwa für Treibstoffe, Verpackungen, Farben, Lacke, Kosmetika oder Medikamente, also fast jedes Produkt für den Endverbrauchermarkt. Darüber hinaus hat die International Energy Agency (IEA) Bionergy verschiedene biobasierte Chemikalien identifiziert, die sich in Bioraffinerien gewinnen lassen.

Aber noch ist die »grüne« Chemie eine Nische. Die Unternehmensberatung Arthur D. Little schätzte den Weltmarkt für Biochemikalien auf etwa 77 Milliarden US-Dollar (2009). Das entspricht nur vier Prozent des Gesamtumsatzes. Bis 2025 könne der Marktanteil aber auf bis zu 17 Prozent steigen, so die Prognose. Die Politik unterstützt und fördert den Umstieg auf diese nachhaltige Chemie: Die Bundesregierung hat Ende 2010 die 2,4 Milliarden Euro schwere »Nationale Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030« beschlossen. Ziel ist es, durch Forschung und Innovation den Strukturwandel von einer erdöl- zu einer biobasierten Industrie zu ermöglichen.

»Wir müssen lernen, das Kohlenstoffreservoir der Natur noch besser zu nutzen«, betont Professor Thomas Hirth, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart. Dann können nachwachsende Rohstoffe und die Weiße Biotechnologie eine Alternative zur Petrochemie werden. In den vergangenen Jahren haben Forscher bereits zahlreiche Verfahren entwickelt, um aus Biomasse wichtige Grundstoffe für die chemische Industrie zu gewinnen. »Aber noch bleiben viele Prozesse im Labor- und Pilotmaßstab stecken und kommen nicht in die industrielle Entwicklung«, so die Erfahrung von Hirth. »Zur effizienten und effektiven stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe sind neue und skalierbare Verfahren erforderlich, die eng mit bereits bestehenden Produktionsstrukturen vernetzt werden.«

Um die Lücke zwischen Labor und industrieller Umsetzung zu schließen, bauen Wissenschaftler des IGB und des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT das Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna. Auf einer Fläche von mehr als 2000 Quadratmetern entstehen derzeit Anlagen, Labore, Büros und Lagerräume. Mehr als 20 Industrieunternehmen sowie 15 Universitäten und Forschungseinrichtungen wollen sich an dem Projekt beteiligen. Gefördert wird das Vorhaben vom Bund und vom Land Sachsen-Anhalt.

www.cbp.fraunhofer.de

In Leuna wollen die Forscher unter anderem Holzabfälle als Kohlenstoffquelle nutzen. Dazu bauen sie eine Pilotanlage nach einem modifizierten Organosolv-Verfahren auf, mit dem sich das im Holz vorhandene Lignin herauslösen lässt. Darin werden zunächst aus Lignocellulose – das Biopolymer Lignocellulose bildet die Zellwände von verholzten Pflanzen – fermentierbarer Zucker und Lignin gewonnen. Anschließend setzen Bakterien den Zucker zu Basischemikalien um, die sich zum Beispiel für die Produktion von Kunststoffen wie Polyethylen einsetzen lassen. Die Phenole aus dem Holzbaustein Lignin wollen die Forscher für die Produktion von Klebstoffen oder für chemische Synthesen nutzen. Reststoffe dienen zur Energieerzeugung. So wird die nachwachsende Ressource Holz vollständig verwertet.

Weitere Schwerpunkte des CBP sind die Nutzung von Restbiomasse, die Gewinnung funktionaler Inhaltsstoffe und Energieträger aus Mikroalgen sowie die Entwicklung neuer technischer Enzyme. »Das Besondere am CBP ist, dass wir von Anfang an mit Industrieunternehmen zusammenarbeiten, die die gewonnenen Produkte weiterverwerten«, erläutert Hirth. Bereits in der Pilotphase wollen die beteiligten Chemiekonzerne die Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit der biotechnologischen Prozesse in den fünf zur Verfügung stehenden Pilotanlagen prüfen.

Das Fraunhofer CBP ist auch am Spitzencluster »BioEconomy« beteiligt, das vom Bundesministerium für Forschung und Bildung in den kommenden fünf Jahren mit bis zu 40 Millionen Euro gefördert wird. Mehr als 80 Unternehmen und Forschungseinrichtungen engagieren sich in dem Spitzencluster. »Unser Ziel ist es, die nachhaltige Wertschöpfung aus Non-food-Biomasse zu maximieren, indem wir daraus neuartige Werkstoffe und Materialien sowie Chemieprodukte und Energie gewinnen«, erklärt Professor Hirth, der den Cluster wissenschaftlich koordiniert.

BioEconomy Start

Gebraucht wird vor allem ein natürlicher Ersatz für die bisher aus Erdöl gefertigten Kunststoffe. Der Bedarf an Plaste ist riesig – allein in Europa verbraucht jeder Einzelne im Schnitt deutlich mehr als 100 Kilogramm pro Jahr. 2010 wurden weltweit etwa 265 Millionen Tonnen Kunststoff produziert, schätzt der europäische Branchenverband PlasticsEurope. Bislang decken wir nur einen kleinen Teil unseres Bedarfs mit Biokunststoff. Im Jahr 2010 wurden lediglich 724 000 Tonnen »grüner« Kunststoff hergestellt. Doch die Nachfrage nach Bioplastik soll in den kommenden Jahren deutlich steigen. Die Experten vom Interessensverband European Bioplastics erwarten, dass 2015 weltweit etwa 1,7 Millionen Tonnen »grüner« Kunststoff produziert werden.

Wie sich Polymere aus nachwachsenden Rohstoffen gewinnen, charakterisieren, modifizieren und verarbeiten lassen, untersuchen Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP in Golm. Die Wissenschaftler konzentrieren sich dabei vor allem auf Stärke und Cellulose als Ausgangsmaterial. Stärke ist eine wichtige Ressource für technische Anwendungen wie Papier, Baustoffe, Klebstoffe, Biokunststoffe, Reinigungsmittel, Kosmetik und Pharmazie. Aus Lignocellulose gewonnene Cellulose gehört zu den am häufigsten vorkommenden Biopolymeren. Daraus fertigt die Industrie unter anderem Folien, Vliesstoffe, Schwämme, Hygieneprodukte oder Klebstoffe.

Insbesondere bei der Entwicklung von Spinnprozessen diverser Biopolymere haben Forscher des IAP langjährige Erfahrungen. Diese kommen nun der Entwicklung eines neuen Spinnprozesses zur Herstellung von künstlichen Hochleistungsfasern aus AMSilk-Spinnenseidenproteinen zugute – einem gemeinsamen Projekt mit der Firma AMSilk GmbH.

Kunststoff aus Cellulose

Cellulose ist auch das Ausgangsmaterial für den Werkstoff Biograde®, den Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen in Zusammenarbeit mit der FKuR Kunststoff GmbH entwickelt haben. In einem chemischen Prozess wird es in den Kunststoff Celluloseacetat umgewandelt. Beimischungen wie Weichmacher oder Füllstoffe machen das Material fließfähig und erhöhen seine Wärmeformbeständigkeit. Auch diese Zusätze stammen aus nachwachsenden Rohstoffen. Nach der Compoundierung ist der Biokunststoff einsatzfähig und kann zu unterschiedlichen Produkten verarbeitet werden – wie zum Beispiel zu Hüllen für Kugelschreiber oder Computer-Tastaturen. »Biograde® ist nicht nur umweltfreundlich, sondern besitzt für biobasierte Kunststoffe eine hohe Wärmefornbeständigkeit«, beschreibt Thomas Wodke vom UMSICHT die Vorzüge des Werkstoffs. Zu der Produktfamilie gehören noch zwei weitere »grüne« Polymere. Bio-Flex® ist ein Werkstoff für Blas- oder Flachfolien. Und das sehr steife und feste Fibrolon® eignet sich für Geschirr oder Werkzeugboxen.

Dass sich auch pflanzliche Roh- und Reststoffe der Agrar- und Forstwirtschaft für die Kunststoff-Herstellung nutzen lassen, zeigen die Forschungsaktivitäten des IAP. In dem Verbundprojekt LIGNOS konzentrieren sich die IAP-Forscher gemeinsam mit der Universität Potsdam und der aevotis GmbH darauf, mit Hilfe neu entwickelter biotechnologischer Verfahren die enthaltenen Biopolymere zu gewinnen und somit die Rohstoffpalette der chemischen Industrie maßgeblich zu erweitern. Im Fokus der Arbeiten steht Lignin, das bis dato lediglich zur Energiegewinnung verbrannt wird.

Den IAP-Forschern ist es sogar gelungen, aus Rübenschnitzeln (SBP – sugar beet pulp) − Reststoffe der Zuckerproduktion − Polyurethan zu fertigen. Aus dem Material werden zum Beispiel Matratzen, Schuhsohlen, Dichtungen oder Fußböden gemacht. Die IAP-Wissenschaftler haben die vorwiegend aus Pektin, Cellulose und Hemicellulose bestehenden Rübenschnitzel zunächst zu monomeren Zuckern abgebaut. Aus diesen Monomeren konnten sie dann Polyole synthetisieren, die sie anstelle von Sorbitol für die Polyurethanherstellung eingesetzt haben.

Folien aus Molke

Ein Abfallprodukt bei der Herstellung von Milchprodukten nutzen Forscher des IGB als Ausgangsstoff für einen integrierten biotechnologischen Prozess. Mit Hilfe von Michsäurebakterien lässt sich der in der Sauermolke enthaltene Milchzucker (Lactose) zu Milchsäure (Lactat) umsetzen. Lactat dient nicht nur als Konservierungs- und Säuerungsmittel in der Lebensmittelherstellung, sondern kann auch als Grundstoff in der chemischen Industrie eingesetzt werden – zum Beispiel in der Produktion von Polylactiden, einem biologisch abbaubaren Kunststoff.

Bislang ist Biokunststoff vor allem als Massenkunststoff für Verpackungen, Blister, Flaschen und Einweg-Geschirr in Einsatz. Aber lassen sich auch hochwertige Mehrschichtfolien aus biologischen Ausgangstoffen fertigen? In solchen Folien hindern derzeit meist noch petrochemisch basierte und teure Polymere wie Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer (EVOH) als

Barrierematerial, dass Sauerstoff an die Nahrung gelangt. In dem EU-Projekt »Wheylayer« arbeiten Forscher an einem nachhaltigen Verpackungswerkstoff. Ihre Idee: Sie nutzen Molkeprotein für die Barrierefolie. Diese Folie hat mehrere Vorteile: Die Molkeproteinschicht lässt sich biologisch abbauen. Zudem verlängern die in der Molke natürlich vorkommenden Inhaltsstoffe die Haltbarkeit von Lebensmitteln. »Wir haben einen Prozess entwickelt, mit dem sich die Multifunktionsfolien im industriellen Maßstab wirtschaftlich herstellen lassen«, betont Markus Schmid vom Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in Freising, das an dem Projekt beteiligt ist.

Ein wichtiger Bestandteil von Getränkekartons sind Beschichtungen. Forscher vom UMSICHT und des IVV arbeiten daran, diese ebenfalls aus nachwachsenden Rohstoffen zu fertigen. Das Substitutionspotenzial eines solchen Biokunststoffs wäre enorm: Allein in Deutschland werden etwa 44 000 Tonnen Beschichtungspolymere pro Jahr benötigt.

Doch noch erfüllen Biopolymere nicht immer alle Anforderungen, die heute an leistungsfähige Kunststoffe gestellt werden. So ist zum Beispiel Plastik aus Polymilchsäure (Polylactid, PLA) meist spröde und verfügt nur über eine geringe Schlagzähigkeit. Forscher des IAP haben gemeinsam mit ihren Kollegen aus den Fraunhofer-Instituten für Chemische Technologie ICT in Pfinztal und Werkstoffmechanik in Halle IWM eine Lösung entwickelt: Sie verstärken die natürlichen Kunststoffe mit Spinnfasern aus Cellulose (Rayon). Durch diese Kombination entsteht ein Material, das komplett biobasiert und bioabbaubar ist, aber dennoch stabil. Tenside und Schmierstoffe aus ­Biomasse

Aber nicht nur Kunststoffe kann man aus Biomasse gewinnen. Auch Harze, Weichmacher, Biotenside oder Lösungsmittel wollen Forscher aus nachwachsenden Rohstoffen fertigen. In dem EU-Projekt »BioConSepT« setzen die Mitarbeiter dabei auf Lignocellulose, pflanzliche Öle und Fette als Kohlenstoff-Quellen, die nicht in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden. Mit diesen Ressourcen der zweiten Generation sollen sich die Chemikalien um 30 Prozent günstiger und um 30 Prozent nachhaltiger fertigen lassen als mit entsprechenden chemischen Verfahren oder biotechnologischen Prozessen, die auf Rohstoffen der ersten Generation wie Glucose basieren. An dem Projekt arbeiten 31 Partner aus Forschung, Industrie sowie kleinen und mittelständischen Unternehmen mit – darunter auch das IGB.

Nachwachsende Rohstoffe – etwa Ester aus tierischen und pflanzlichen Fetten – bilden sogar die Grundlage für technische Schmierstoffe. Allerdings ist deren Herstellung noch sehr kosteninensiv. Das wollen Forscher des IVV ändern. Sie nutzen Jatropha-Öl als Basis zur Herstellung eines kostengünstigen, mineralölfreien und leistungsstarken biogenen Basisfluids für Kühlschmierstoffe in der industriellen Metallbearbeitung. Um das Basisfluid aus dem Öl der Jatrophapflanze zu gewinnen, benutzen die Forscher Lipasen. Es entsteht ein stabiles Gemisch von Estern, Glyceriden und Restöl. Das Verfahren weist eine annähernd hundertprozentige Rohstoffausbeute auf und erfordert weit weniger energie- und kostenintensive Reinigungsschritte. Krabbenschalen und Algen für Chemikalien

Ein bislang kaum genutztes Biopolymer ist Chitin. Es bildet das Außenskelett von Krebsen und Krabben. Mehr als 750 000 Tonnen Schalen dieser Krebstiere landen allein in der EU pro Jahr auf dem Müll. Wie sich dieser »Abfall« als Wertstoff für die chemische Industrie nutzen lässt, untersuchen Forscher in dem von der EU geförderten Projekt »ChiBio«. »Nach Art einer Bioraffinerie entwickeln wir für Krabbenschalen verschiedene stoffliche und energetische Nutzungswege – um so den Reststoff möglichst effizient und vollständig zu verwerten«, erläutert Prof. Dr. Volker Sieber, Koordinator von ChiBio und Leiter der IGB-Projektgruppe BioCat in Straubing.

Besonders vielseitig nutzbare nachwachsende Rohstoffe sind Algen: Sie können in Kraftstoffe, Strom, Wärme und Feinchemikalien umgewandelt werden. Wissenschaftler des IGB nutzen Mikroalgen zum Beispiel, um Fettsäuren und Carotinoide zu produzieren. In einem Flachplatten-Airlift-Reaktor werden die Algen in Massen gezüchtet und dann die Wertstoffe gewonnen.

Noch weiter geht der Ansatz des 2011 gestarteten EU-Pro­jekts. Forscher züchten in einer Abwasseraufbereitungsanlage in Südspanien Mikroalgen, um daraus großtechnisch Biokraftstoffe wie Methan oder Diesel zu gewinnen. Dabei untersuchen die Wissenschaftler die gesamte Prozesskette – von der Nährstoffeliminierung aus Abwasser über die Algenzucht, die Extraktion von Inhaltsstoffen bis zur nachgeschalteten Biokraftstoffproduktion. In dem Projekt arbeiten Forscher vom UMSICHT mit. Sie analysieren, wie das Algenöl zusammengesetzt ist und wie es sich am besten nutzen lässt. Die mehrfach ungesättigten Öle im Algenöl sind zum Beispiel für die Futtermittelindustrie interessant. Das restliche Algenöl reinigen die Forscher auf und setzen es zu Biodiesel um.

»Die Weiße Biotechnologie nutzt die Natur als chemische Fabrik. Herkömmliche chemische Produktionsprozesse werden durch den Einsatz von Mikroorganismen oder Enzymen ersetzt«, erläutert Thomas Hirth den Ansatz. Das hilft auch, den Kohlenstoffdioxid-Ausstoß massiv zu senken. Zu diesem Ergebnis kommt eine Studie der dänischen Sektion der Umweltschutzorganisation World Wide Fund For Nature (WWF) und des dänischen Biotech-Unternehmens Novozymes. Ihr Fazit: Würde die industrielle Biotechnologie in vollem Maße ausgenutzt, ließen sich bis 2030 zwischen einer und 2,5 Milliarden Tonnen Kohlenstoffdioxid einsparen. Und das pro Jahr.

Die Natur bietet ein riesiges Potenzial für die chemische Industrie. Doch bislang wird es noch zu wenig genutzt. In Deutschland liegt der Anteil von nachwachsenden Rohstoffen in der chemischen Industrie bei nur etwa 13 Prozent. Soll sich die Abhängigkeit vom Erdöl verringern, muss die Wirtschaft stärker auf natürliche Ressourcen setzen. Voraussetzung dafür ist aber, dass die Verfahren auf Biomassebasis schneller vom Labor in die Industrie übertragen werden.