Erd\u00f6l ist der Lebenssaft der chemischen Industrie, der Ausgangsstoff f\u00fcr Basischemikalien, mit denen sich eine ungeheure F\u00fclle an Produkten herstellen l\u00e4sst. Der weiter steigende Bedarf bei gleichzeitig schwindenden Reserven r\u00fcckt nachwachsende Ressourcen in den Fokus der chemischen Industrie. Lignin, ein Holzbestandteil, ist besonders vielversprechend. Bislang wird Lignin fast ausschlie\u00dflich energetisch genutzt, obwohl es vielseitig einsetzbar w\u00e4re. Auch in Baden-W\u00fcrttemberg wird das Potenzial des Holzbestandteils in einem Forschungsverbund intensiv erforscht.<\/p>\n
Lignocellulose (lateinisch lignum = Holz) verleiht Pflanzen ihre Form und Stabilit\u00e4t. Die Biopolymere der Lignocellulose verst\u00e4rken die Zellwand und setzen sich aus drei Hauptbestandteilen zusammen: Cellulose und Hemicellulose bilden ein Ger\u00fcst, in das sich Lignin als eine Art Kitt einlagert, wodurch die Zellwand sich verfestigt. Die Verholzung \u2013 auch Lignifizierung genannt \u2013 dient der Pflanze als Schutz vor Wind und Sch\u00e4dlingen.<\/p>\n
Im Unterschied zum fossilen Rohstoff Erd\u00f6l sind Lignocellulosen in Form von Holz, Stroh oder Miscanthus nachwachsende Rohstoffe, lassen sich land- und forstwirtschaftlich anbauen und sind obendrein klimaneutral: Holz und Co geben bei ihrer Verbrennung nur so viel Kohlendioxid ab, wie sie zuvor im Laufe ihres Lebens gespeichert haben. Doch sind Lignocellulosen eine ernstzunehmende Alternative zu Erd\u00f6l?<\/p>\n
Von Erd\u00f6l- zu Bioraffinerien<\/p>\n
Die chemische Industrie ist zwingend auf Kohlenstoffverbindungen angewiesen, um Produkte wie Farben, Klebstoffe, Kunstfasern, D\u00fcnge- und Pflanzenschutzmittel und vor allem Kunststoffe herzustellen. In Deutschland stammen die Kohlenstoffverbindungen dabei zu 87 Prozent aus fossilen Rohstoffen wie Erd\u00f6l, Erdgas und Kohle.<\/p>\n
Kohlenstoff kommt aber auch in Pflanzen vor. Bei der Fotosynthese binden Pflanzen das Kohlendioxid aus der Luft und nutzen es, um energiereiche Molek\u00fcle, in erster Linie Zuckerverbindungen, herzustellen. Pflanzen\u00f6l, St\u00e4rke, Naturkautschuk und auch Cellulose nutzt die chemische Industrie schon heute zu einem geringen Anteil (13 Prozent).<\/p>\n
In Zukunft soll dieser Anteil steigen. \u201eUnser langfristiges Ziel ist eine Bioraffinerie, in der der nachwachsende Rohstoff im Rahmen einer optimierten Wertsch\u00f6pfungskette vollst\u00e4ndig stofflich genutzt wird\u201c, sagt Dr.-Ing. Daniel Forchheim vom Karlsruher Institut f\u00fcr Technologie und Koordinationsleiter des Forschungsverbunds Lignocellulose in Baden-W\u00fcrttemberg. Dazu ist der Forschungsverbund in 19 Teilprojekte unterteilt, die den gesamten Stoffstrom, vom Acker bis zum Produkt, durchleuchten, wobei drei Hauptstr\u00e4nge unterschieden werden: Der Rohstoffanbau, also die Auswahl und Zucht der Lignocellulose liefernden Pflanzen, das Austesten neuartiger Aufschlussverfahren sowie biotechnologische und chemische Synthesestrategien zur Entwicklung biobasierter Produkte.<\/p>\n
Lignin \u2013 das neue Erd\u00f6l?<\/p>\n
Die drei Grundbausteine von Lignin sind anhand von Strukturformeln beschrieben. Denn gerade Lignin, das bis zu 30 Prozent der Lignocellulose-Biomasse darstellt, ist chemisch betrachtet ein ungehobener Schatz: Die harzartige Substanz besteht aus verschiedenen aromatischen Grundbausteinen, sogenannten Phenylpropanoiden, die einen hohen Nutzwert haben. Aromatische Verbindungen werden normalerweise aus Erd\u00f6l gewonnen und genutzt, um Kunststoffe, Medikamente und Farben zu produzieren. Das Potenzial von Lignin ist entsprechend gro\u00df: Neben Cellulose und Chitin ist es das h\u00e4ufigste Polymer in der Natur \u2013 und das einzige, das so viele aromatische Verbindungen enth\u00e4lt.<\/p>\n
Rund 50 Millionen Tonnen Lignin fallen j\u00e4hrlich weltweit als Abfallprodukt der Papierindustrie an: Um Zellstoff aus Holz zu gewinnen, nutzt man h\u00e4ufig das Sulfatverfahren. Dabei kocht man entrindete Holzschnitzel, Stroh oder zerkleinerte Maisst\u00e4ngel unter Druck mehrere Stunden in Natronlauge, um das Lignin von der faserigen Cellulose zu l\u00f6sen. Das stoffliche Potenzial von Lignin, das bei diesem Verfahren als Schwarzlauge anf\u00e4llt, bleibt weitgehend ungenutzt: 98 Prozent werden verbrannt.<\/p>\n
Lignin l\u00e4sst sich aber auch aus Stroh oder dem Riesengras Miscanthus gewinnen, das besonders vielversprechend ist: Miscanthus x giganteus w\u00e4chst auf n\u00e4hrstoffarmen B\u00f6den, erzielt hohe Ertr\u00e4ge, trotzt vielen Stressfaktoren \u2013 und dient einem Teilprojekt am Heidelberger Center for Organismal Studies als Versuchspflanze: \u201eWir erforschen den Einfluss von Umweltfaktoren auf einen wichtigen Stoffwechselweg in Pflanzen, den Phenylpropanoid-Stoffwechsel\u201c, sagt Linn Vo\u00df vom Center for Organismal Studies der Heidelberger Universit\u00e4t. Ausgangsstoff ist die Aminos\u00e4ure Phenylalanin. Pflanzen haben davon einen gewissen Pool, den sie zur Bildung bestimmter Substanzen wie Lignin nutzen. Je nach Umwelteinfl\u00fcssen passen Pflanzen den Stoffwechselweg aber an. Bei Trockenheit oder Insektenbefall neigen sie etwa dazu, mehr Verteidigungssubstanzen zu produzieren und weniger Lignin. \u201eMiscanthus ist sehr robust und scheint besonders effizient in seiner Nutzung von Phenylalanin zu sein. Und wir wollen verstehen, wie die Pflanze das schafft\u201c, so Vo\u00df.<\/p>\n
Neben der Grundlagenforschung setzt der Forschungsverbund einen weiteren Schwerpunkt auf die Erforschung neuer Konversions-Verfahren. Dabei muss unterschieden werden zwischen der Auftrennung der Lignocellulose in die drei Hauptbestandteile und der anschlie\u00dfenden Aufspaltung von Cellulose, Hemicellulose und Lignin in deren Grundbausteine. Das ist vor allem bei Lignin eine Herausforderung: Die Phenylpropanoid-Bausteine Coniferyl-, Cumaryl- und Sinapylalkohol verbinden sich auf vielf\u00e4ltige Weise miteinander und bilden ein dichtes, dreidimensionales Netzwerk, das chemisch nur schwer angreifbar ist. Bislang braucht es dazu hohe Temperaturen (bis 500 Grad Celsius) und hohen Druck (bis 200 bar). Deswegen wird an schonenderen und wirtschaftlicheren Verfahren geforscht.<\/p>\n
Mit Pilzen und Bakterien zum Ziel<\/p>\n
Als Vorbild dient die Natur: Dort bauen vor allem Wei\u00dff\u00e4ulepilze Lignin mithilfe eines Enzym-Cocktails ab \u2013 allerdings sehr langsam. Vor allem Laccasen und Peroxidasen sind am Prozess beteiligt. Doch die Ergebnisse des Enzymabbaus im Labor sind nicht durchweg befriedigend: \u201eEs ist immer ein Nebeneinander von Auf- und Abbau. Das hei\u00dft, die Enzyme spalten Lignin, parallel verkn\u00fcpfen sie aber die erhaltenen Grundbausteine wieder miteinander\u201c, sagt Dr. Susanne Zibek vom Fraunhofer-Institut f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen- und Bioverfahrenstechnik in Stuttgart. Erfolgversprechender k\u00f6nnte ein anderer Ansatz sein, den die Forscher verfolgen: Lignin wird hier direkt von Bakterien oder Pilzen zersetzt. \u201eDie Abbauwege existieren ja bereits in den Organismen\u201c, sagt Dominik Rais vom Institut f\u00fcr Grenzfl\u00e4chenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie der Universit\u00e4t Stuttgart. Ziel ist, die Bakterien gentechnisch so zu manipulieren, dass sie bestimmte Enzyme st\u00e4rker produzieren oder andere ausschalten, sodass am Ende die gew\u00fcnschten Lignin-Bruchteile erhalten werden. Noch steckt die Methode allerdings in den Kinderschuhen.<\/p>\n
Chemiker des Max-Planck-Instituts f\u00fcr Kohlenforschung in M\u00fclheim an der Ruhr haben ein Verfahren entwickelt, um Lignin einfacher nutzbar zu machen. Dank zweier Katalysatoren und drei miteinander kombinierten chemischen Reaktionen wird Lignin bereits bei 150 Grad und einem Druck von unter 40 bar aufgetrennt. Vor allem liefert das Verfahren nicht das wilde Gemisch an aromatischen Verbindungen, das \u00fcblicherweise bei der thermochemischen Auftrennung erhalten wird und nur schwer zu trennen ist , sondern eine einheitlichere Gruppe aromatischer Kohlenstoffverbindungen, die sich einfacher isolieren lassen.<\/p>\n
Erste Anwendungen, die Lignin auch stofflich nutzen, existieren bereits: Die Firma TECNARO in Ilsfeld mischt Lignin mit anderen Naturfasern wie Flachs oder Hanf und erh\u00e4lt unter Temperaturerh\u00f6hung einen verarbeitungsf\u00e4higen Faserverbundwerkstoff ARBOFORM\u00ae (Arbor, lateinisch = der Baum). Dieser wird auch als Fl\u00fcssigholz bezeichnet, weil er sich zu jeder Form gie\u00dfen l\u00e4sst, etwa Lenkradsegmenten, Handygeh\u00e4usen oder Musikinstrumenten wie Fl\u00f6ten. Gro\u00dftechnisch wird aus Lignin au\u00dferdem synthetisches Vanillin erzeugt. Auf diese Weise lassen sich aus einer Tonne Holz etwa drei Kilogramm Vanillin herstellen.<\/p>\n
Auch Cellulose und Hemicellulose lassen sich, wenn sie in ihre Grundbausteine, einfache Zucker, aufgetrennt wurden, stofflich nutzen. Eine Arbeitsgruppe an der Universit\u00e4t Hohenheim versucht, mithilfe gentechnisch ver\u00e4nderter Hefen aus Agrarreststoffen wie Stroh Ethanol zu gewinnen. Dem Schweizer Unternehmen Clariant ist das bereits gelungen: Bis zu 1.000 Tonnen Ethanol liefert die Demonstrationsanlage in Straubing j\u00e4hrlich und das Cellulose-Ethanol findet seit Kurzem Verwendung in Reinigungsmitteln.<\/p>\n
Biomasse ist nicht unersch\u00f6pflich<\/p>\n
Das Potenzial von Lignin ist gro\u00df \u2013 wie gro\u00df der Anteil des pflanzlichen Rohstoffs in der chemischen Industrie in Zukunft sein wird, h\u00e4ngt allerdings von vielen Faktoren ab: Zum einen spielt die Entwicklung des Roh\u00f6lpreises eine gro\u00dfe Rolle, zum anderen der Fortschritt in der Forschung. Aber auch \u00f6kologische Zw\u00e4nge werden vom Forschungsverbund ber\u00fccksichtigt: Wie intensiv l\u00e4sst sich die Ressource Lignocellulose nutzen, ohne dass die Umwelt Schaden nimmt? \u201eEine Arbeitsgruppe geht etwa der Frage nach, wieviel Totholz der Waldboden braucht, denn Lignin ist ein wichtiger Bodenbildner\u201c, sagt Forchheim.<\/p>\n
Ein anderes Teilprojekt befasst sich mit der regionalen Verf\u00fcgbarkeit und der nachhaltigen Nutzung von Lignocellulose: \u201eDie Ressource Holz wird nachhaltig erzeugt und ihre Produktion steht nicht in unmittelbarer Konkurrenz zu Nahrung, es gibt also kein ethisches Problem. Allerdings wird der Rohstoff bereits intensiv genutzt und es gibt kaum zus\u00e4tzlich nutzbares Potenzial\u201c, sagt der Forstwissenschaftler Dr. Marcus Lingenfelder von der Universit\u00e4t Freiburg. Um Lignocellulose aus Holz nachhaltig f\u00fcr die Bio\u00f6konomie zur Verf\u00fcgung stellen zu k\u00f6nnen, m\u00fcsste langfristig vor allem die energetische Nutzung von Holz durch andere regenerative Energiequellen wie Sonne, Wind und Wasser abgel\u00f6st werden. \u201eEine ohnehin sinnvolle Strategie, da die Fl\u00e4cheneffizienz besser als bei der Biomasseverbrennung ist und durch den Einbau von Lignocellulose in dauerhafte Produkte mehr CO2 l\u00e4nger gebunden und damit der Atmosph\u00e4re entzogen wird\u201c, sagt Lingenfelder.<\/p>\n
Auch das Ausweichen auf das effiziente Miscanthus-Gras ist nicht ohne Schwierigkeiten: Obwohl es sich um eine Non-Food-Biomasse handelt, steht der Anbau in Konkurrenz zur Nahrungsmittel- und Futterproduktion: Denn landwirtschaftlich nutzbare Fl\u00e4chen sind nicht nur in Deutschland begrenzt. Bleibt das Lignin, das aus Agrarresten oder als Nebenprodukt der Papierindustrie entsteht und momentan vorwiegend verbrannt wird. Wenn sich daf\u00fcr aufgrund einer h\u00f6heren Wertsch\u00f6pfung auch h\u00f6here Erl\u00f6se erzielen lassen als durch die energetische Nutzung, stehen die Chancen f\u00fcr \u201egr\u00fcne\u201c Produkte gut. Lignocellulose wird Erd\u00f6l so schnell sicherlich nicht ersetzen, aber sehr wahrscheinlich bald erg\u00e4nzen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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