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Chemie aus der Natur

Erdöl: Der Rohstoff wird knapp und immer teurer. Doch es gibt Alternativen aus nachwachsenden Rohstoffen – zur Herstellung von Kunststoff, Vlies oder Klebstoff.

Handys, Spielzeug, Computer, Haushaltsgeräte – fast jeder Alltagsgegenstand wird zum Teil aus Erdöl hergestellt. Das „schwarze Gold“ enthält viel Kohlenstoff und ist deshalb einer der wichtigsten Ausgangsstoffe für die chemische Industrie. Aber Kohlenstoff ist nicht nur im Erdöl, sondern auch in nachwachsenden Rohstoffen enthalten. Doch bislang gibt es erst einige wenige Biokunststoffe aus Cellulose, Stärke, Zucker, Milchsäure sowie 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 amerikanische Energieministerium untersucht. Das Ergebnis: Einige Basis-Chemikalien 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.
Grundstoff Biomasse

Aber noch ist die „grüne“ Chemie nur eine Nische. „Wir müssen lernen, das Kohlenstoffreservoir der Natur noch besser zu nutzen“, betont Prof. 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. Hier wollen die Forscher unter anderem Holzabfälle als Kohlenstoffquelle nutzen. Dazu bauen sie eine Pilotanlage auf, mit der 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 Basis-Chemikalien um, die sich etwa für die Produktion von Kunststoffen wie Polyethylen eignen. Die Phenole aus dem Holzbaustein Lignin wollen die Forscher für die Produktion von Klebstoffen oder chemische Synthesen nutzen. Reststoffe dienen zur Energieerzeugung. So wird die Ressource Holz vollständig verwertet.

Gesucht wird darüber hinaus vor allem auch ein natürlicher Ersatz für die bisher aus Erdöl gefertigten Kunststoffe. Der Bedarf ist riesig – allein in Europa verbraucht jeder Einzelne im Schnitt mehr als 100 Kilogramm pro Jahr. 2010 wurden weltweit etwa 265 Mio. Tonnen Kunststoff produziert, schätzt der europäische Branchenverband PlasticsEurope. Dem stehen nur 724 000 Tonnen „grüner“ Kunststoff gegenüber. Doch die Nachfrage nach Bioplastik soll nach Expertenansicht in den kommenden Jahren deutlich steigen – auf 1,7 Mio. Tonnen wird die Produktion im Jahr 2015 veranschlagt.

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.

Dass sich auch pflanzliche Roh- und Reststoffe der Agrar- und Forstwirtschaft für die Kunststoffherstellung nutzen lassen, zeigt das Verbundprojekt Lignos,  bei dem sich IAP-Forscher gemeinsam mit der Universität Potsdam und der aevotis GmbH darauf konzentrieren, mithilfe neu entwickelter biotechnologischer Verfahren die enthaltenen Biopolymere zu gewinnen. Im Fokus der Arbeiten steht Lignin, das bis dato lediglich zur Energiegewinnung verbrannt wird.

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 sie dabei auf Lignocellulose, pflanzliche Öle und Fette als Kohlenstoff-Quellen, die nicht in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden.

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 im 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. Volker Sieber, Koordinator von ChiBio und Leiter der IGB-Projektgruppe BioCat in Straubing.

Kunststoff aus Algen

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.

Forscher züchten zudem in einer Abwasseraufbereitungsanlage in Südspanien Mikroalgen, um daraus großtechnisch Biokraftstoffe wie Methan oder Diesel zu gewinnen. Dabei untersuchen sie die gesamte Prozesskette – von der Nährstoffeliminierung aus Abwasser über die Algenzucht, die Extraktion von Inhaltsstoffen bis zur nachgeschalteten Biokraftstoffproduktion. Die mehrfach ungesättigten Öle im Algenöl sind zum Beispiel für die Futtermittelindustrie interessant.

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 %. 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.

Birgit Niesing, ­
Fraunhofer-Gesellschaft


Artikel vom: 2012-05-06 17:00:00
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