Thema des Monats: December 2014

Mit Abfällen den Bedarf an Bioplastik decken

Für die Herstellung von Verpackungen und Einwegprodukten wird zunehmend biologisch abbaubarer Kunststoff eingesetzt. Eine wichtige Zutat für diese Art nachhaltiger Werkstoffe ist Polymilchsäure. Um den steigenden Bedarf zu decken, haben Wissenschaftler ein Verfahren entwickelt, um Milchsäure aus einem Abfall- beziehungsweise Nebenprodukt der Biodieselherstellung zu gewinnen [1], die vornehmlich unter Einsatz von Raps erfolgt.

Polylactide, auch Polymilchsäuren (PLA) genannt, sind synthetische Polymere, die zu den Polyestern zählen. Sie sind aus vielen, chemisch aneinander gebundenen Milchsäuremolekülen aufgebaut. Im Bild:Polylactide der (S)-Milchsäure (oben) und der (R)-Milchsäure (unten). [2]

Großer Bedarf an Polymilchsäure

Plastikmüll ist eines der größten Umweltprobleme unserer Zeit. Die meisten Kunststoffe sind, dass zeigt der Blick in die Umwelt, nicht oder nur begrenzt abbaubar. Sie zerfallen lediglich in immer kleinere Bruchstücke, die nicht nur die Umwelt belasten, sondern auch dem Menschen (siehe dazu auch unser Thema des Monats September 2014 Mikroplastik in Binnengewässern). Zudem bestehen die meisten Kunststoffe aus Erdöl, einem bekanntermaßen schwindenden Rohstoff, wenngleich der derzeitig zu verzeichnende Sturz des Ölpreises anderes denken lässt. Allerdings sind Alternativen, sprich nachhaltige Polymere beziehungsweise Rohstoffe für bioabbaubare Kunststoffe bereits im Einsatz oder in der Diskussion. Dazu zählen unter anderem landwirtschaftliche Erzeugnisse wie Sonnenblumenkerne oder Wiesengras sowie auch Krabbenschalen und anderes mehr.

Zur Herstellung von Biokunststoffen wird derzeit vermehrt Polymilchsäure eingesetzt. Das Akronym dieser Verbindung, PLA, leitet sich von der englischen Bezeichnung Polylactic acid ab. Dieses auf Milchsäure basierende Polymer ist biologisch abbaubar, der grundlegende Rohstoff erneuerbar. Einwegbechern, Kunststoffsäcken und Verpackungen werden heute schon vielfach aus PLA hergestellt.

Stetig wachsende Nachfrage nach Bioplastik

Experten rechnen damit, dass der Bedarf an Bioplastik bis zum Jahr 2020 um eine Megatonne pro Jahr ansteigt (siehe dazu auch Netzwerk Bioplastik).
 Wie und aus welchen Quellen man den steigenden Bedarf decken will, ist offenkundig bislang nicht hinreichend geklärt. Oder vielleicht doch? Wissenschaftler des Instituts für Chemie- und Bioingenieurwissenschaften der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich haben jüngst ein Verfahren zur Produktion von Milchsäure vorgestellt, dass den künftig hohen Anforderung in puncto Nachhaltigkeit gerecht werden soll [1].

Kennzeichen ihrer Vorgehensweise: Sie sei produktiver, kosteneffizienter und klimafreundlicher als der Vorgang der Fermentation, in deren Zuge üblicherweise Milchsäure gewonnen wird, berichtet die ETH. Ein besonders interessanter Aspekt sei zudem jener, dass der neue Prozess von einem im klassischen Sinne Abfallprodukt ausgeht, namentlich Glycerin, dass im Zuge der Biodieselherstellung in großer Menge als Nebenprodukt anfalle.

Bei der Biodiesel-Produktion entsteht Glycerin (dunkle Phase) als Nebenprodukt. Bo Cheng / ETH Zürich

Glycerin hat Potenzial

Schätzung zu folge, soll die Glycerinmenge, die in der Biospritherstellung anfalle, von derzeit drei Megatonnen auf mehr als vier Megatonnen in 2020 steigen. Das Glycerin aus der Biodieselproduktion ist jedoch nicht wirklich sauber, es enthält Spuren von Asche und Methanol, warum es sich nicht für die Herstellung von Lebens-, Kosmetik- oder Arzneimitteln eignet.

Für Lebensmittel- oder Pharmaanwendungen ungeeignet und wegen seiner schlechte Brenneigenschaften auch keine wirklich eine Alternative als Brennstoff in der Energiegewinnung – was aber mit dem Glycerin aus der Biodieselproduktion anstellen?

„Normalerweise sollte das Glycerin aus der Biodieselherstellung wie (industrielle) Abwässer behandelt und aufbereitet werden. Aber um Geld zu sparen und weil es nicht sehr giftig ist, leiten es manche Unternehmen in Flüsse“, sagt Merten Morales, Doktorand an der ETH und Erstautor der diesem Beitrag zugrunde liegenden Studie. Diese schlichte Entsorgung in die Umwelt erweist sich allerdings, blickt man genauer hin, als Verschwendung einer wertvollen Ressource.

Fokus auf die Katalysetechnik

Dass die Methode der ETH-Forscher von einem "Abfallprodukt" ausgeht, ist einer ihrer herausragenden Pluspunkte. Daraus letztlich aber einen Wertstoff zu kreieren, erfordert verfahrenstechnische Raffinesse. Eine zentrale Rolle beim Umbau von Glycerin zu Polymilchsäure spielt die Katalyse. Blicken wir auf einige Details: Das zugrundeliegende Verfahren beruht auf zwei Schritten. Zunächst wandeln Enzyme, sprich Biokatalysatoren, Glycerin in das Zwischenprodukt Dihydroxyaceton um. Anschließend treibt ein heterogener Katalysator die weitere Reaktion zur Produktion von Milchsäure voran.


Katalyse [3] (von altgriechisch κατάλυσις katálysis „Auflösung“) bezeichnet die Änderung der Geschwindigkeit (Kinetik) einer chemischen Reaktion mittels eines Katalysators, meist mit dem Ziel sie überhaupt erst zu initiieren, sie zu beschleunigen oder die Selektivität in eine favorisierte Richtung zu lenken. In der lebenden Zelle spielen Enzyme, die biochemische Prozesse katalysieren, eine fundamentale Rolle im Stoffwechsel von der Verdauung bis hin zur Reproduktion und Transkription der Erbinformation. Im Umweltbereich haben sowohl natürlich ablaufende katalytische Prozesse wie die Bildung von Smog eine große Bedeutung als auch die katalytische Reduzierung von Schadstoffen im Automobil- und Kraftwerksbereich. Neue Systeme zur Energieherstellung und –speicherung wie die Brennstoffzelle basieren auf katalytischen Prozessen.

Als Katalysator [4] bezeichnet werden Stoffe, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion durch Senkung der Aktivierungsenergie erhöhen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Katalysatoren beschleunigen die Hin- und Rückreaktion eines chemischen Vorgangs, das heißt einer Stoffänderung, gleichermaßen. Ein Katalysator nimmt an einer chemischen Reaktion teil unter Bildung einer intermediären Stufe mit den Reaktionspartnern (Reaktanten), aus dem der Katalysator nach Entstehung des Produkts unverändert hervorgeht. Ein Katalysator kann diesen Katalysezyklus viele Male durchlaufen. Je nachdem, in welchen Phasen Katalysator und Reaktanten vorliegen, spricht man von homogenen oder heterogenen Katalysatoren. Zum Vergleich: Bei der homogenen Katalyse befindet sich der Katalysator mit den reagierenden Stoffen in einer Phase (Lösung oder Gasphase), bei der heterogenen Katalyse ist der Katalysator eine eigene, meist feste Phase.

Apropos: Die Wertschöpfung durch Katalyse in der Chemischen Industrie ist von erheblicher volkswirtschaftlicher Bedeutung, da über 80 % aller Chemieerzeugnisse mit Hilfe katalytischer Prozesse hergestellt werden. Durch deren Optimierung kann der Energie- und Ressourcenaufwand entscheidend verringert werden. Weltweit betrug 2007 der Umsatz für Katalysatoren circa 16 Milliarden US-Dollar, wovon über 90 % mit Katalysatoren für heterogen katalysierte Prozesse erwirtschaftet wurden.

Katalysierte Polymilchsäureproduktion

Im Fall der Biopolymere auf Basis von PLA besteht der Katalysator aus einem mikroporösen Mineral, einem Zeolit [5], dessen Struktur chemische Reaktionen in den Mikroräumen der Poren begünstigt. Der Schritt der Katalyse, der ein wesentliches Element für die erfolgreiche Umsetzung des Projekts darstellte, konnte im Verlauf der Studie Schritt für Schritt optimiert werden. Indem die Forscher verschiedene Aspekte des Katalysator-Designs verbesserten, konnten sie das Fermentationsverfahren aus ökologischer wie auch aus ökonomischer Sicht übertreffen.



Industrielle Prozesse würden oft „nachhaltig“ gemacht, indem man einfach nur auf einen erneuerbaren Rohstoff umsteige, sagt Cecilia Mondelli, die als wissenschaftliche Mitarbeiterin die Studie begleitete. „Berücksichtigt man aber den gesamten Prozess – von der Quelle des Ausgangsstoffs bis zum fertigen Produkt, inklusive Entsorgungswege – erscheinen angeblich nachhaltige Verfahren nicht unbedingt nachhaltiger als die konventionellen.“



Der Bioplastik PLA wird zunehmend in Verpackungen und Einwegbechern verwendet. Seit diesem Jahr gibt es PLA-Becher auch in verschiedenen ETH-Mensen. Bo Cheng / ETH Zürich

Ein Drittel weniger Kohlendioxidmissionen

Zieht man noch obendrein die erhöhte Produktivität und die Energie, die das neue Verfahren einspare, indem es einen Abfallstoff neu verwerte, in Betracht, verringere sich die Emissionen an Kohlendioxid im Vergleich zu der, die bei der Fermentation erfolge, um 30 Prozent. Pro Kilogramm produzierter Milchsäure erzeuge das neue Verfahren sechs Kilogramm Kohlendioxid im Vergleich zu 7,5 Kilogramm bei der konventionellen Methode. Zudem koste das Verfahren insgesamt weniger, was einen um das siebzehnfache größeren Profit ermögliche, wie die Forscher berechneten.

„Man sei dabei von eher konservativen Annahmen ausgegangen und einer relativ hohen Qualität des Glycerins“, sagt Morales. Das Verfahren funktioniere jedoch auch mit stärker verunreinigtem Glycerin, was, man mag es kaum glauben, sogar noch kostengünstiger wäre. Hersteller könnten ihre Gewinnspanne sogar noch verbessern, ist der Wissenschaftler überzeugt.
Und es käme nicht nur großen Bioplastik-Herstellern, wie sie heute vor allem in den USA beheimatet seien, zugute: „Das Verfahren ist relativ einfach und lässt sich überall dort etablieren, wo Biodiesel beziehungsweise Glycerin als Nebenprodukt erzeugt wird“, sind die Forscher überzeugt. 



Quellen, Hintergründe und weitere Informationen

[1] Morales, M., Dapsens, P. Y., Giovinazzo, I., Witte, J., Mondelli, C., Papadokonstantakis, S., Hungerbühler, K., Pérez-Ramírez, J.: Environmental and economic assessment of lactic acid production from glycerol using cascade bio- and chemocatalysis. Energy Environ. Sci. 5 November 2014, doi: 10.1039/C4EE03352C
[2] Polyactide (Wikipedia)
[3] Katalyse (Chemgapedia)
[4] Katalysator (chemie.de)
[5] Zeolithgruppe (Wikipedia)
Guido Deußing