Abfall sinnvoll nutzen

Das Ziel, Erdöl durch nachwachsende Rohstoffe zu ersetzen, darf nicht die Ernährungssicherheit gefährden. Daher forscht man intensiv an alternativen Herstellungswegen, die biogene Abfälle oder Reststoffe verwenden. Zwei Studien zum Thema zeigen nicht nur, dass Basischemikalien für diverse Anwendungen daraus produziert werden können, sondern auch, wie erfolgsversprechend die Alternativen sind.

„Grün“ ist en vogue. In Deutschland ist nicht nur bei vielen Verbrauchern „bio“ und „öko“ angesagt. Nachhaltigkeit hat sich auch die Politik auf die Fahnen geschrieben und fördert den Umbau zu einer „grünen Wirtschaft“. Angestrebt ist eine Transformation hin zu einer auf nachwachsenden Rohstoffen basierenden Wirtschaft, die besonders effizient ist - einer Bioökonomie. Dafür wurde 2013 die „Nationale Politikstrategie Bioökonomie“ verabschiedet, die die „Nationale Forschungsstrategie Bioökonomie 2030“ ergänzt. Und auch der Klimaschutz steht auf der Agenda.

Ambitionierter Klimaschutz

Die Vereinten Nationen haben in Paris ein Klimaschutzabkommen beschlossen, das am 22. April 2016 in New York feierlich von Vertretern von mehr als 170 Staaten unterzeichnet wurde. Deutschland zählt zu den Erstunterzeichnern des Klimavertrags. Das Klimaabkommen setzt ambitionierte Ziele: Die Erderwärmung soll auf deutlich unter 2 Grad Celsius, nach Möglichkeit unter 1,5 Grad Celsius begrenzt werden.

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Darüber hinaus wird der Weg, hin zu einem treibhausgasneutralen Zeitalter geebnet. Bis Mitte des Jahrhunderts soll Treibhausgasneutralität erreicht werden. Das Zauberwort lautet: Dekarbonisierung. Das bedeutet auf der einen Seite, dass weniger Kohlendioxid (CO₂) emittiert und andererseits mehr CO₂ gespeichert werden muss. Mit anderen Worten: Angestrebt ist eine Balance zwischen Ausstoß und Bindung, damit unser Lebensstil nicht weiter zulasten von Umwelt und Gesundheit geht.

Abfall- und Reststoffe als Basis

Damit eine Nutzung von pflanzlichen Rohstoffen nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion steht, werden vermehrt Lösungen erarbeitet, wie Reststoffe und Abfall bestmöglich weitergenutzt werden können. Nicht nur der energetischen Nutzung wird dabei Bedeutung zugemessen, indem z. B. neue Rahmenbedingungen dafür sorgen, dass Biokraftstoffe aus Reststoffen zusätzlich gefördert werden. Auch die stoffliche Nutzung von Abfallstoffen schreitet immer weiter voran. Zwei aktuelle Publikationen belegen dies eindrucksvoll:

Orangenabfall wird zu Biokunststoff

Dem Trend folgend, will man ebenfalls in der Kunststoffbranche fossile Rohstoffe perspektivisch ersetzen und sucht nach alternativen Produktionswegen. Denn auch Kunststoff wird aus dem „schwarzen Gold“, Erdöl, hergestellt. Forschern ist es nun gelungen, einen biobasierten Kunststoff aus dem Naturstoff Limonen herzustellen, der – wie sie zeigen konnten – für viele Zwecke eingesetzt werden kann.

Limonen ist eine chemische Verbindung (Monoterpen), die in ätherischen Ölen vor allem von Zitrusfrüchten enthalten ist. Die Industrie hat den Naturstoff schon lange für sich entdeckt und nutzt ihn als Lösungsmittel oder Duftstoff in Reinigungsmitteln. Gewonnen werden kann er aus Orangenschalen, die als Nebenprodukt bei der Orangensaftproduktion zu Hauf anfallen. Oxidiert man Limonen und verbindet das Limonenoxid anschließend mit Kohlendioxid, erhält man Poly(limonencarbonat), kurz: PLimC. Dieses PLimC zählt chemisch zur Gruppe der Polycarbonate - thermoplastische Kunststoffe, die sich ab einer gewissen Temperatur formen lassen.

PLimC ist ein Multitalent

Die Wissenschaftler der Universität Bayreuth konnten PLimC mit hoher molekularer Masse in Kilogrammmengen gewinnen und zeigen, dass man aus ihm viele Funktionsmaterialien für unterschiedlichste Anwendungen anfertigen kann. Beispielsweise Polymere mit antimikrobiellen Eigenschaften, die im Test der Forscher erfolgreich gegen das Bakterium Escherichia Coli (kurz: E. Coli) eingesetzt werden konnten. E. coli kommt natürlicherweise im Darm vom Menschen und Tieren vor und ist ein nützlicher Teil der Darmflora. Allerdings gibt es auch pathogene E. coli-Bakterien, die schwerwiegende Infektionskrankheiten hervorrufen können. Solche funktionalisierten Kunststoffe sind daher z. B. für den medizinischen Bereich interessant, um Infektionen bei oder nach Operationen zu vermeiden.

Es sind auch Kunststoffe mit einer anderen, wichtigen neuen Eigenschaft möglich. Nämlich Kunststoffe, die sich in salzhaltigem Meerwasser leicht zersetzen. Dies wäre für Verpackungen interessant und könnte das gefährliche Abfallaufkommen in den Weltmeeren verringern. Die Studie zeigt: Es gibt viele Anwendungsbeispiele für PLimC-basierte Kunststoffe, die nicht nur umweltfreundlich produziert werden, sondern auch das Treibhausgas CO₂ längerfristig binden. „Zudem sind die vielfältigen Kunststoffe, die auf Basis von PLimC ohne großen technischen oder finanziellen Aufwand synthetisiert werden können, ökologisch unbedenklich und recyclebar“, betont Oliver Hauenstein, ein Autor der Studie.

Auf dem Weg zu einer „grünen Chemie“

Auch der Rohstoff einer weiteren Studie ist pflanzlichen Ursprungs und könnte beim Umbau in eine „grüne Chemie“ behilflich sein. Ein Forscherteam nutzte Holzabfälle, um mithilfe von Bakterien die Grundchemikalie Bernsteinsäure durch biotechnologische Verfahren herzustellen und bewertete die Ökobilanz.

Holz besteht zu einem großen Teil aus Cellulose. Es ist die häufigste organische Verbindung der Erde, da pflanzliche Zellwänden etwa zur Hälfte aus dem Biopolymer bestehen. Sie ist allgegenwärtig und daher ein geeigneter Rohstoff. Auch ein Produkt, dass sich aus diesem Rohstoff herstellen lässt, ist gefragt: Die Chemikalie Bernsteinsäure. Sie ist ein Allrounder, die in Größenordnungen von 30 – 50.000 Tonnen pro Jahr produziert und mit einem Marktwert von ca. 2.600 €/Tonne verkauft wird.

In der chemischen Industrie wird Bernsteinsäure für viele unterschiedliche Synthesewege gebraucht, beispielsweise für die Herstellung von Lösungsmitteln, Weichmachern oder aber für Kunststoffe. Darüber hinaus können Medikamente oder Pflanzenschutzmittel mit der Plattformchemikalie hergestellt werden. Auch in Lebensmitteln begegnet sie uns als Zusatzstoff „E 363“, der anders als andere Lebensmittelzusätze vollkommen unbedenklich ist, da er natürlicherweise im Stoffwechsel von Lebewesen (Citratzyklus) produziert und abgebaut wird.

Auch wirtschaftlich interessant

Nachwachsende Rohstoffe einzusetzen ist nicht per se nachhaltiger. Nicht nur die Rohstoffbasis, sondern der gesamte Herstellungsprozess ist entscheidend für die Bewertung. Die Forscher analysierten daher sehr unterschiedliche Konzepte. In der aktuellen Studie bewerten sie Herstellungswege, bei denen folgende Komponenten variierten:

• Der Syntheseprozess unter Nutzung von Bakterien (Biosynthese mit Hilfe neuentwickelter E. coli-Stämme)
• Die vor- oder nachgelagerten Prozesse: vorbereitende, sogenannte „Upstream“-Prozesse, die auch Bakterien nutzen können, und die anschließend zur Aufreinigung der Produkte verwendeten, sogenannten „Downstream“-Prozesse
• Die Rohstoffbasis, in diesem Fall Biomasse in Form von Holzabfällen oder Zuckerrüben im Vergleich zu Erdöl.

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Die Forscher untersuchten dabei die Leistung mehrerer E. coli-Stämme, die speziell für bestimmte biotechnologische Anwendungen entwickelt wurden. Denn das Bakterium E. coli ist nicht nur Teil der Darmflora und zugleich Krankheitserreger, es ist in seiner harmlosen Variante auch ein wichtiger Produktionsstamm der Biotechnologie. E. coli wächst unter Laborbedingungen sehr gut und ist dank seiner hohen Teilungsrate sehr produktiv. Die eingesetzten nachwachsenden Rohstoffe waren die Nahrungsquelle, die Zuckerlieferanten, der Bakterien für die Fermentation zur Bernsteinsäure.

In einer umfassenden Ökobilanz bewerteten die Forscher die unterschiedlichen Produktionswege und deren Umweltwirkungen. In den Simulationen zeigte sich, dass je nach verwendetem Weg die auf nachwachsenden Rohstoffen basierende Herstellung von Bernsteinsäure, im Vergleich zur erdölbasierten, günstiger oder umweltfreundlicher sein kann.

Ein Verfahren mit speziell entwickelten Bakterien, die auch mit sehr hohen Zuckerkonzentrationen umgehen konnten sowie einer innovativen Extraktion von Bernsteinsäure – einer Reaktivextraktion, d. h. eine Extraktion eines Stoffes aus einer flüssigen Lösung, die durch eine chemische Reaktion beschleunigt wird – war 20 Prozent günstiger, bei gleichbleibender Umweltbelastung. Ein anderes Verfahren mit ebenfalls speziell optimierten Bakterien, die in diesem Fall mit einem sauren Milieu (pH-Werte, die über dem neutralen pH-Wert von 7 liegen) zurechtkamen, in Kombination mit einer Reaktivextraktion, konnte die Umweltbelastungen, bei vergleichbaren Produktionskosten, um 28 Prozent verringern.  

Der Rohstoff im Fokus

Die Wissenschaftler verglichen aber auch die Unterschiede von Zuckerrüben und Holzabfälle als Rohstoffbasis. Holzabfälle konkurrieren nicht mit der Nahrungsmittelerzeugung und sind somit zu bevorzugen. Allerdings liegt die Biomasse hier nicht in bereits verwertbarer Form vor, sondern als Lignocellulose. Lignocellulose muss erst noch in seine Einzelkomponenten zerlegt werden, um an den Zucker zu gelangen.

Verglichen mit Zuckerrüben sind bei den Holzabfällen weitere Prozessschritte nötig. Im untersuchten Fall wurde das Holz chemisch mit Säure vorbehandelt. Dies verteuert den Prozess und macht die Nutzung von Lignocellulose bisher unwirtschaftlich. Den Berechnungen der Forscher zufolge, stiegen die Betriebskosten bei Produktionswegen, die Holzreste anstelle von Zuckerrüben als Ausgangsmaterial verwendeten allerdings nur leicht an (etwa 8 Prozent). Die Unterschiede waren den Forschern zufolge vernachlässigbar. „Wenn es möglich ist, Holzabfälle – zum Beispiel solche aus der Forstwirtschaft – zu nutzen, sollte man das tun“, betont Erstautor Merten Morales. Auch cellulosehaltige Reststoffe aus der Papierindustrie sind nach Meinung der Forscher vielversprechende Rohstoffe für die Herstellung von Bio-Bernsteinsäure.

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Erdöl bekommt ernstzunehmende Konkurrenz

Bisher sind Verfahren mit nachwachsenden Rohstoffen im Vergleich zum Pendant aus Erdöl noch nicht rentabel und nicht konkurrenzfähig. Die Herstellungskosten sind auf Grund der teuren und aufwendigen Prozessschritte zu hoch bzw. die Erdölpreise noch oder wieder zu niedrig. Auch die Produktionsmengen fallen oft noch zu gering aus. Dabei muss man immer im Hinterkopf behalten, dass die Petrochemie einen Vorlauf von mehr als 150 Jahren hat. Da die Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen auf dieses Know-how zurückgreifen kann, lassen sich Fortschritte in kürzerer Zeit erwarten.

Ein anderes Problem liegt auf der Finanzierungseite. Petrochemische Anlagen sind vorhanden und oft sind die Investitionen vom Aufbau dieser Anlagen bereits abgeschrieben. Bioraffinerien zu bauen, bedarf neuer Investitionen, was die Erzeugerkosten erst einmal nach oben treibt. Auch aus diesem Grund verfolgen viele Forscher und Ingenieure einen integrativen Ansatz. Sie versuchen Teilbereiche in der Petrochemie mit neuen, biobasierten Synthesewegen zu ersetzen. Schritt für Schritt, so die Hoffnung, können so fossile Rohstoffe ersetzt werden.

Forschungsergebnisse wie diese zeigen, dass es bereits heute auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten möglich ist, Grundstoffe für die chemische Industrie, analog zu etablierten Erdölraffinerien, in Bioraffinerien zu erzeugen – auch ohne Konkurrenz zu Nahrungsmitteln.