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3/2016

Chemikalien aus Holzabfällen

Vitamine, Medikamente, Lösungsmittel, Pflanzenschutzmittel und Polymere – viele davon liessen sich in Zukunft auch aus Holzabfällen herstellen. Und zwar mindestens so wirtschaftlich, umweltschonend und sicher wie derzeit aus Erdöl. Dies zeigte ein internationales Forscherteam unter der Leitung von ETH-Wissenschaftlern auf.

Die chemische Industrie fusst heute auf Erdöl: Am Anfang sehr vieler chemischer Produkte – von Kunststoffen über Waschmittel und Lösungsmittel bis zu Medikamenten und Pflanzenschutzmitteln – stehen Erdölbestandteile. Und weil Erdölvorkommen endlich sind, suchen Wissenschaftler nach Wegen, diese Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen.

Ein internationales Forscherteam zeigte nun einen solchen alternativen Herstellungsweg für eine bedeutende Grundchemikalie auf, die Bernsteinsäure (siehe Kasten). Zum Team unter der Leitung von Konrad Hungerbühler, Professor für Sicherheits- und Umweltschutztechnologie in der Chemie an der ETH Zürich, gehörten auch Wissenschaftler der EPFL und der Technischen Hochschule Chalmers in Göteborg.

Wie die Forschenden in einer umfassenden Ökobilanz zeigen, lässt sich die Bernsteinsäure wirtschaftlich, umweltfreundlich und sicher aus Biomasse herstellen – mithilfe von Bakterien. Als Ausgangsstoff der Wahl bezeichnen die Forschenden Holz- oder Zelluloseabfälle, die in der Forstwirtschaft oder der Papierindustrie anfallen.

Günstiger oder nachhaltiger

In Simulationen verglichen die Wissenschaftler unter anderem verschiedene Herstellungsprozesse sowie verschiedene Bakterien, welche in den Labors der EPFL für die biotechnologische Herstellung von Bernsteinsäure optimiert wurden. Dabei zeigte sich: Je nach verwendeten Bakterien und Prozessen ist die biotechnologische Herstellung aus Holzabfällen im Vergleich zur konventionellen aus Erdöl entweder deutlich günstiger oder deutlich umweltfreundlicher. Als Mass für die Umweltbelastung verwenden die Forschenden die gesamte für die Herstellung benötigte Energie, inklusive der grauen Energie (die auch den indirekten Energiebedarf für die Herstellung von Vorprodukten, Infrastruktur und Abfallentsorgung umfasst).

So errechneten die Wissenschaftler für eine bestimmte biotechnologische Herstellungsmethode, dass Bernsteinsäure bei vergleichbarer Umweltbelastung 20 Prozent günstiger hergestellt werden kann. Mit einer zweiten Methode mit anderen Bakterien liess sich die Umweltbelastung um 28 Prozent reduzieren – dies bei vergleichbaren Kosten wie auf traditionellem Weg aus Erdöl.

Innovation für die Papierindustrie

Damit Bakterien Bernsteinsäure herstellen können, benötigen sie als Rohstoff Glukose (Traubenzucker). Es wäre möglich, diese aus Zuckerrüben oder Zuckerrohr zu gewinnen. Oder eben aus Holz. «Der Holzbestandteil Zellulose kann mithilfe von Säure in Glukose umgewandelt werden», erklärt Merten Morales, Doktorand in der Gruppe von Hungerbühler und Erstautor der aktuellen Studie.

Die Wissenschaftler verglichen die Bernsteinsäure-Herstellung aus Zuckerrüben mit jener aus Holzabfällen. Punkto Wirtschaftlichkeit, Umweltverträglichkeit und Sicherheit sind die Unterschiede vernachlässigbar. «Wenn es möglich ist, Holzabfälle – zum Beispiel solche aus der Forstwirtschaft – zu nutzen, sollte man das tun», sagt Morales. «Denn damit konkurriert man nicht mit der Nahrungsmittelversorgung.»

Bernsteinsäure

Bernsteinsäure wird Treibstoffen und Schmiermitteln zugesetzt, um Motoren vor Korrosion zu schützen. Unter der Bezeichnung E 363 dient sie der Lebensmittelindustrie als Säuerungsmittel, als Geschmacksverstärker und um Lebensmittel luftig zu machen. Vor allem aber ist die Bernsteinsäure Dreh- und Angelpunkt für die Synthese einer riesigen Palette chemischer Verbindungen: Es lassen sich daraus unter anderem Vitamine herstellen, Medikamente, Lösungsmittel, Pflanzenschutzmittel, Polymere und Geruchsstoffe für Parfüme.

Auch für die Papierindustrie wäre die neue Methode interessant. Denn dort fallen als Abfall zellulosehaltige Laugen an. Sie werden derzeit nicht verwertet, würden sich aber als Glukosequellen eignen. «Die europäische Papierindustrie könnte gegenüber der starken Konkurrenz aus Übersee wieder wettbewerbsfähiger werden, wenn sie es schafft, Abfallprodukte zu veredeln und sie mit Mehrwert zu verkaufen», so Morales. Der Bau einer biotechnologischen Produktionsanlage sei jedoch eine langfristige Investition, gibt der Chemieingenieur zu bedenken. Bevor eine Firma diese tätige, möchte sie wissen, ob sie sich lohne. «Mit unserer Arbeit haben wir diese Frage nun bejaht.»

Die Studie entstand im Rahmen des Nationalen Forschungsprogramms Ressource Holz (NFP 66) [http://www.nfp66.ch/de].

Literaturhinweis

Morales M, Ataman M, Badr S, Linster S, Kourlimpinis I, Papadokonstantakis S, Hatzimanikatis V, Hungerbühler K: Sustainability Assessment of Succinic Acid Production Technologies from Biomass using Metabolic Engineering. Energy and Environmental Science, 24. Mai 2016, doi: 10.1039/C6EE00634E [http://dx.doi.org/10.1039/C6EE00634E]

News und Medienstelle Hochschulkommunikation
Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)


Bild: St. Peter im Schwarzwald
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