Bakterien wandeln Zellulosereste in Bernsteinsäure um – energiesparend und kostengünstig

Chemikalien-Grundstoff aus Holzabfällen

Vitamine, Medikamente, Lösungsmittel, Pflanzenschutzmittel oder Polymere – auf den ersten Blick haben sie wenig gemeinsam. Doch sie alle könnte sich künftig aus Holzabfällen herstellen lassen. Und das mindestens so wirtschaftlich, umweltschonend und sicher wie derzeit aus Erdöl, wie Forscher herausgefunden haben.

Holz

Aus Holz- und Zelluloseabfällen produzieren Bakterien Bernsteinsäure – einen wichtigen Chemie-Grundstoff (Foto: axepe/Fotolia)

Die chemische Industrie basiert heute größtenteils auf Erdöl: Am Anfang sehr vieler chemischer Produkte – von Kunststoffen über Waschmittel und Lösungsmittel bis zu Medikamenten und Pflanzenschutzmitteln – stehen Erdölbestandteile. Weil jedoch die Erdöl-Vorkommen endlich sind, die meisten Erdölprodukte in der Natur schwer bis gar nicht abbaubar sind und die Nutzung dieser fossilen Ressourcen Treibhausgase freisetzt, suchen Wissenschaftler nach Wegen, diese Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen.

Bernsteinsäure aus Zellulose

Für einen wichtigen Basisstoff vieler Chemikalien haben nun Konrad Hungerbühler von der ETH Zürich und seine Kollegen einen solchen Weg gefunden: für die Bernsteinsäure. Diese auch Succinylsäure genannte Kohlenstoffverbindung ist Ausgangsstoff für eine ganze Palette chemischer Verbindungen: Es lassen sich daraus unter anderem Vitamine herstellen, Medikamente, Lösungsmittel, Pflanzenschutzmittel, Polymere und Geruchsstoffe für Parfüme.

Schon länger ist bekannt, dass es in der Natur Bakterien gibt, die beim Abbau von Stärke und Zuckern Bernsteinsäure produzieren. Wie die Forscher nun berichten, eignen sich einige dieser Bakterienarten auch dazu, die Bernsteinsäure aus Holz- oder Zelluloseabfällen zu erzeugen. "Der Holzbestandteil Zellulose kann mithilfe von Säure in Glukose umgewandelt werden", erklärt Merten Morales von der ETH Zürich. Und die Glukose wiederum dient den Bakterien als Rohstoff für die Synthese.

Günstiger und umweltfreundlicher

Aber wie effektiv ist die Bio-Produktion der Bernsteinsäure im Vergleich zu herkömmlichen, erdölbasierten Verfahren? Um das herauszufinden, verglichen die Forscher die Synthese durch verschiedene für die biotechnologische Herstellung von Bernsteinsäure optimierte Bakterienarten mit der konventionellen Produktion.

Dabei zeigte sich: Je nach verwendeten Bakterien und Prozessen ist die Synthese der Bernsteinsäure aus Holzabfällen im Vergleich zur konventionellen aus Erdöl entweder deutlich günstiger oder deutlich umweltfreundlicher. So errechneten die Wissenschaftler für eine biotechnologische Herstellungsmethode, dass Bernsteinsäure bei vergleichbarer Umweltbelastung 20 Prozent günstiger hergestellt werden kann. Mit einer zweiten Methode mit anderen Bakterien ließ sich der Energieverbrauch und damit auch die Umweltbelastung um 28 Prozent reduzieren – dies bei vergleichbaren Kosten wie auf traditionellem Weg aus Erdöl.

Zellulose-Abfälle gibt es reichlich

Ein weiterer großer Vorteil: Holz- und Zelluloseabfälle gibt es gerade in der Papierindustrie reichlich. Denn dort fallen als Abfall zellulosehaltige Laugen an. Sie werden derzeit nicht verwertet, würden sich aber als Glukosequellen eignen. "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."

Nach Ansicht der Forscher hätte die Nutzung der Zelluloseabfälle als chemischer Rohstoff auch für die Papierindustrie klare Vorteile: "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. Ihre Untersuchung habe jedenfalls gezeigt, dass sich die langfristige Investition in eine solche biotechnologische Produktionsanlage durchaus lohnen könnte.

Quelle: ETH Zürich, Fachartikel: Energy and Environmental Science, doi: 10.1039/C6EE00634E

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Rubrik Umwelt / von Nadja Podbregar / 14.06.2016
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