Holz statt Erdöl in der Chemie

06.07.2016 |  Von  |  News

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Auch wenn die Ressource Öl derzeit vergleichsweise günstig zu haben ist, Erdöl steht nicht unbegrenzt zur Verfügung. Der Zeitraum, in dem die weltweiten Ölreserven zur Neige gehen werden, ist schon heute abzusehen. Vor diesem Hintergrund ist jede Forschung wichtig, die Alternativen schafft. Holz kommt dabei als nachwachsendem Rohstoff eine entscheidende Bedeutung zu.

Aus Erdöl lässt sich nicht nur Treibstoff herstellen. Ohne Erdöl gäbe es keine Kunststoffe und nur wenige Arznei- oder Düngemittel. Zwei Forschungsprojekte des Nationalen Forschungsprogramms „Ressource Holz“ sind jetzt dem Ersatz von Erdöl durch pflanzliche Biomasse – insbesondere Holz – einen wichtigen Schritt nähergekommen.

Sie konzentrieren sich ergänzend auf jeweils einen der zwei Hauptbestandteile von Holz: Zellulose und Lignin. Diese beiden erneuerbaren Stoffe sind die weltweit häufigsten organischen Verbindungen:

  • An der École polytechnique fédérale de Lausanne (EFPL) hat Sviatlana Siankevich neue, leistungsfähige Katalyseverfahren entwickelt, die aus Zellulose Hydroxymethylfurfural (HMF) gewinnen, einen wichtigen Grundstoff für die Herstellung von Kunststoffen, Düngemitteln und Biotreibstoffen.
  • Das von Philippe Corvini geleitete Team der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) in Muttenz (BL) hat sich von Pilzen inspirieren lassen, die verrottendes Holz abbauen, um Enzyme zu finden, die Lignin in aromatische Verbindungen aufspalten. Diese Aromaten dienen als Ausgangsstoffe für die Herstellung von Lösemitteln, Pestiziden, Medikamenten und Kunststoffen wie Polystyrol.

Papier-Rückstände sinnvoll nutzen

Zellulose ist ein langkettiges Zuckermolekül (Kohlenhydrat) und macht etwa zwei Drittel des Gewichts von Holz aus. „Aus Zellulose wird heute vor allem Papier hergestellt. Die Rückstände daraus könnten zur Herstellung gefragter Chemikalien sinnvoll eingesetzt werden“, so Sviatlana Siankevich vom Institute of Chemical Sciences and Engineering der EPFL.


Die Cellulose (häufig auch Zellulose) ist der Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellwänden. (Bild: © hxdyl - shutterstock.com)

Die Zellulose ist der Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellwänden. (Bild: © hxdyl – shutterstock.com)


Zusammen mit Wissenschaftlern der Queen’s University in Kanada und der National University of Singapore hat das von Paul Dyson geleitete EPFL-Team mehrere Arten von ionischen Flüssigkeiten (flüssige Salze) synthetisiert, um aus Zellulose HMF herzustellen. Mit ihrem Verfahren erzielten die Wissenschaftler in einem Schritt eine Rekord-Ausbeute von 62 Prozent.

„Unser Verfahren funktioniert unter milden Reaktionsbedingungen und braucht weder sehr hohe Temperaturen und hohen Druck noch starke Säuren“, sagt Siankevich. „Wir konnten auch die Menge der unerwünschten Nebenprodukte reduzieren. Für den industriellen Einsatz des Verfahrens ist das ein wichtiger Aspekt. Unser Prozess funktioniert mit Holz, aber oft ist es einfacher, aus krautigen Pflanzen gewonnene Zellulose zu verwenden.“

Grüne Chemie – Enzym-Recycling

An der FHNW entwickelt Philippe Corvini zusammen mit seinem Doktoranden Christoph Gasser Verfahren für die Verwertung von Lignin. Dieses langkettige Molekül ist Teil der Zellwände und verleiht Bäumen ihre Steifigkeit. Holz besteht zu rund 15 bis 40 Prozent aus Lignin.

„Dieses wurde bisher kaum verwertet, sondern oft einfach nur verbrannt“, sagt Corvini. „Dabei lässt es sich in aromatische Verbindungen aufspalten: in Moleküle, die auf den in der organischen Chemie allgegenwärtigen sechseckigen Kohlenstoffringen basieren. Die Industrie setzt eine Menge dieser Verbindungen um, die fast ausschliesslich aus Erdöl gewonnen werden. Gegenwärtig ist Lignin die aussichtsreichste Alternative zum Erdöl.“


Grüne Chemie: Art von Chemie, die versucht, Umweltverschmutzung einzudämmen und Energie zu sparen. (Bild: © Elena Pavlovich)

Grüne Chemie: Art von Chemie, die versucht, Umweltverschmutzung einzudämmen und Energie zu sparen. (Bild: © Elena Pavlovich – shutterstock.com)


Es gibt Pilze, die einen Enzym-Cocktail absondern, um Lignin aufzuspalten und abzubauen. Unter der Leitung von Corvini untersucht das FHNW-Team Kombinationen aus Dutzenden dieser Enzyme, um die effizienteste zu ermitteln. Mit einem zusätzlichen Katalyseschritt gelang es, 40 Prozent des Lignins in sehr kleine Moleküle – etwa Vanillin – aufzubrechen.

Der Prozess ist interessant für die chemische Industrie: Das Team arbeitet bereits mit einem Ligninproduzenten zusammen. „Lignin wird heute vor allem aus Weizen- oder Reisstroh gewonnen“, sagt Corvini. „Aber auch Weichholz – wie das der Fichte – wäre gut geeignet, da ihr Lignin sich leicht aufspalten lässt.“

Das FHNW-Team hat auch ein Verfahren zur Wiederverwendung der Enzyme entwickelt. Diese lassen sich so bis zu zehn Mal wiederverwenden, wodurch sich der für ihre Herstellung benötigte Energie- und Ressourceneinsatz bedeutend verringert. Damit passt das Verfahren sehr gut zum Konzept einer „grünen Chemie“.


Holz statt Erdöl für chemische Erzeugnisse – damit befassen sich aktuell zwei Schweizer Projekte. (Bild: © symbiot - shutterstock.com)

Holz statt Erdöl für chemische Erzeugnisse – damit befassen sich aktuell zwei Schweizer Projekte. (Bild: © symbiot – shutterstock.com)


Das ganze Holz muss es sein

Das Holz muss möglichst umfassend verwertet werden, damit es eine wirtschaftliche Alternative zu Petrochemikalien sein kann. „Kleine Mengen einer einzelnen Komponente zu extrahieren, genügt nicht“, sagt Sviatlana Siankevich. „Wir müssen daher komplementäre Verfahren finden, damit wir das gesamte Holz nutzen können.“

 

Artikel von: Schweizerischer Nationalfonds
Artikelbild: © Sergei Krasii – shutterstock.com

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