Plastik vom Acker ‒ Die Pflanze als Teil einer Bioraffinerie  [18.06.21]

Die Vorstellung ist bestechend: Nach und nach könnten in den kommenden Jahren Kohle und Erdöl als Ausgangsstoffe für die Herstellung von Kunststoffen und vielen anderen Produkten durch erneuerbare Ressourcen ersetzt werden. Ein Hohenheimer Beitrag aus dem aktuellen Sonderheft „Biointelligenz“ des Magazins „Bild der Wissenschaft“. Von Ursel Stuhlemmer.

Einmal im Jahr widmet sich eine zusätzliche Ausgabe des Magazins „Bild der Wissenschaft“ einem einzigen Thema. In diesem Jahr geht es um „Biointelligenz“. Sie steht für ein System, in dem biologische und technische Prinzipien miteinander verschmelzen und der Verbrauch natürlicher Ressourcen übergeht in einen Kreislauf aus Nutzung, Aufbereitung und Wiederverwertung – kurzum: ein rundum nachhaltiges System. Gemeinsam mit anderen aus der Region Stuttgart berichten Forschende von der Uni Hohenheim darüber, wie dies gelingen kann. Wir stellen die Artikel der Hohenheimer Forschenden in loser Reihe vor.

Ein landwirtschaftlicher Betrieb, zwischen Scheunen und Hallen steht die Biogasanlage. Sie liefert Wärme und Strom an die danebenstehende Bioraffinerie. Der Landwirt verarbeitet hier ein selbst angebautes Großgras, den Miscanthus. Es entsteht ein Ausgangsstoff für biobasierte Kunststoffe namens Hydroxymethylfurfural (HMF), die als Verpackung für die im Hofladen verkauften Lebensmittel dienen. Die nährstoffreichen Reststoffe wiederum, die in der Bioraffinerie anfallen, wandern zunächst in die Biogasanlage und dann als Dünger zurück aufs Feld.

Das ist die Vision, wie sich Andrea Kruse, Professorin an der Universität Hohenheim den Bauernhof von morgen vorstellt: Plastik vom Acker, das aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt wird und den Landwirten ein zusätzliches Einkommen beschert.

Pflanzenabfälle könnten erdölbasierte Produkte ersetzen

„Pflanzen bauen chemische Strukturen auf, die Menschen als Ersatz für erdölbasierte Produkte nutzen können“, erklärt Kruse. Die Leiterin des Fachgebietes Konversionstechnologien nachwachsender Rohstoffe arbeitet mit Ihrem Team seit Jahren daran, aus Biomasse so genannte Plattformchemikalien herzustellen. HMF ist eine der wichtigsten. Aus ihm kann man zum Beispiel Getränkeflaschen, Lebensmittelverpackungen, Fasern für Autositze, Nylon für Strümpfe, Sportbekleidung oder Autoteile herstellen.

Nach Einschätzung des U.S. Department of Energy gehört HMF zu den zehn wichtigsten Plattformchemikalien. Es kann über geeignete Verfahren aus allen Biomassen gewonnen werden, die reich an langkettigen Kohlehydraten sind. Das kann beispielsweise Stärke sein, wie sie unter anderem in alten Backwaren vorhanden ist, die aufgrund von EU-Richtlinien nicht immer verfüttert werden dürfen. Aber auch Zellulose gehört dazu, die besonders reichlich in Stroh oder dem Miscanthus vorkommt, und nicht zuletzt Inulin, ein Speicherstoff in Chicorée, Löwenzahn oder Zwiebeln.

Die Wurzelrüben von Chicorée sind eine besonders interessante Biomassequelle für HMF. Hier zeigt sich auch das besondere verfahrenstechnische Konzept: Der erste, biochemische Reaktionsschritt findet in der Rübe selbst statt. Wenn die Rüben austreiben und die typischen Salatknospen bilden, werden Enzyme freigesetzt. Sie spalten langkettiges Inulin in einzelne Zuckermoleküle, die der Pflanze als Energielieferant für ihr Wachstum dienen. Doch das eingelagerte Inulin wird nicht vollständig für die Bildung der Salatknospen aufgebraucht, so dass wertvolle Reservestoffe in der Wurzelrübe verbleiben.

Da die Wurzelrüben jedoch nur einmal für die Salatproduktion eingesetzt werden können, fallen sie nach der Ernte als Abfallprodukt an und müssen entsorgt werden. „Dabei macht die Wurzelrübe ca. 30 % der Pflanze aus“, weiß Kruse. Rund 800.000 Tonnen davon fallen jährlich europaweit als Abfallprodukt bei der Produktion von Chicorée an.

Der Löwenanteil der Wurzelrüben landet derzeit in Kompostierungsanlagen. Nur ein kleinerer Teil wird genutzt, um daraus Biogas zu erzeugen. Doch selbst diese Verwendung sei ökonomisch gesehen unterlegen, so Kruse: „Aus ca. 220.000 Wurzelrüben pro Hektar können theoretisch 8,14 Tonnen Inulin gewonnen werden. Das kann nach aktuellem Forschungsstand zu 2,87 Tonnen HMF umgewandelt werden. Über den Verkauf dieser Menge können ca. 5,74 Millionen Euro erzielt werden. Strom aus Biogas dieser Menge Wurzelrüben würde nach EEG jedoch nur rund 21.000 Euro generieren.“

Genügsames Miscanthusgras

Aber auch andere pflanzliche Quellen eignen sich hervorragend für die Herstellung von HMF. Besonders vom genügsamen und vergleichsweise robusten Miscanthusgras versprechen sich die Forscherinnen großes Potenzial. In Deutschland kennt man den bis zu drei Meter hoch wachsenden Miscanthus x giganteus vor allem als dekoratives Element im Garten. An der Universität Hohenheim haben die Wissenschaftler mit der Pflanze dagegen Größeres vor.

Mit dem Anbau dieses Grases beschäftigt sich Iris Lewandowski, Professorin und Leiterin des Fachgebietes Nachwachsende Rohstoffe in der Bioökonomie in Hohenheim: Miscanthus ist eine C4-Pflanze, das heißt sie kann auch noch bei geschlossenen Spaltöffnungen effektiv Photosynthese betreiben und so sehr effizient mit Wasser umgehen. Dies ist nicht nur angesichts des Klimawandels ein Vorteil. Miscanthus kann auch auf so genannten marginalen Böden wachsen, die aus verschiedenen Gründen nicht für die Nahrungsmittelproduktion genutzt werden können.

So kommt Miscanthus auch mit schwermetallbelasteten Böden klar, zum Beispiel neben dem Rollfeld eines Flughafens oder auf ehemaligen Schwerindustrieflächen. Der Anbau des Grases ist daher nicht nur keine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion, sondern der Landwirt kann sogar auch Flächen bewirtschaften, die sonst ungenutzt bleiben müssten und keinen Ertrag abwerfen würden. „Wichtig ist uns aber auch, dass durch den Anbau von Miscanthus ökologische Vorteile, wie zum Beispiel die Festlegung von Kohlenstoff im Boden, genutzt werden und ein Erhalt der Artenvielfalt gegeben ist“, sagt Lewandowski.

Zudem besteht bei Miscanthus auch nicht die Gefahr, dass die Pflanze sich ungewollt verbreitet und so zur Konkurrenz für heimische Arten wird. Denn Miscanthus x giganteus bildet keine Samen aus. Die Vermehrung erfolgt ausschließlich über Rhizome. Das ist für den Landwirt zunächst ein Nachteil, denn Miscanthus muss gepflanzt werden, und das geht mit hohen Kosten bei der Etablierung der Bestände einher. Doch einmal auf einem Feld etabliert, wächst die Pflanze jahrzehntelang in Dauerkultur und bietet dabei einen hohen Flächenertrag. So rechnet sich für den Landwirt der Anbau von Miscanthus vor allem langfristig. Zudem ist nur wenig Pflegeaufwand notwendig. Und da so gut wie keine Krankheiten bekannt sind, müssen auch keine Pestizide eingesetzt werden.

PET wird zu PEF

Die Verfahrensschritte, um sowohl aus Chicorée als auch aus Miscanthus HMF herzustellen, gleichen sich. „Wir starten damit, dass wir mit Wasser und Säure die polymeren Zuckerverbindungen in einfache Zucker umwandeln. Beim Chicorée ist dies das Inulin und beim Miscanthus die Zellulose in den Zellwänden“, erklärt Kruse. Grundlage der HMF-Herstellung ist ein hydrothermales Verfahren: Bei Temperaturen zwischen 180 und 250 Grad Celsius unter leicht erhöhtem Druck – vergleichbar mit einem Schnellkochtopf – werden die Einfachzucker in verschiedene chemische Bausteine umgewandelt, wie beispielsweise HMF. „Den Geruch, der dabei entsteht, dürften die meisten kennen: Die braune Lösung enthält dieselben Substanzen wie Karamell. Denn diese Verbindung bildet sich immer dann, wenn Kohlenhydrate erhitzt und dabei zersetzt werden, wie Zucker, der in der heißen Pfanne zu Karamell wird“, so Kruse.

„Bei der Vorbehandlung von Miscanthus entsteht zudem auch noch Hemicellulose und Lignin, das der Pflanze als Kleber und Stützmaterial dient und aus dem man wiederum Furfural und Phenole gewinnen kann“, fährt die Expertin fort. „Die können unter anderem als Ausgangsstoffe für Kunstharz dienen, mit dem biogene und damit formaldehydfreie Spanplatten und Sperrholz hergestellt werden können.“ Zukunftsmusik ist dagegen noch ein weiteres Forschungsprojekt: Vor der Verarbeitung sollen aus dem Gras zunächst auch noch die Proteine herausgelöst werden, die dann als Tierfutter verwertet werden können.

Was im Labor- und Technikumsmaßstab schon ganz gut klappt, wurde bisher noch nicht großtechnisch umgesetzt. Führend ist dabei das Schweizer Unternehmen AVA Biochem. In Muttenz im Südosten von Basel betreibt es eine der weltweit ersten Industrieanlagen zur Produktion von HMF aus Fructose. Durch Oxidation von HMF stellt man in Basel Furandicarbonsäure her, die das biobasierte Gegenstück zur Terephthalsäure ist. Mit beiden Säuren können Polyester und Polyamide hergestellt werden. So wird dann PET (Polyethylenterephthalat) zu PEF (Polyethylenfuranoat), das sich zu hundert Prozent aus nachwachsenden Rohstoffen herstellen lässt.

„Aus HMF lassen sich Kunststoffe herstellen, die über bessere Eigenschaften verfügen als ihre aus Erdöl hergestellten Äquivalente“, betont Kruse. Wird das biobasierte PEF anstelle von PET für Lebensmittelverpackungen eingesetzt, kann beispielsweise deren Haltbarkeit deutlich erhöht werden. Denn PEF hat eine höhere Gasbarriere als PET, so dass es das Eindringen von Sauerstoff in Lebensmittel viel besser verhindert. Umgekehrt bleibt bei kohlensäurehaltigen Getränken das Gas länger in der Flasche, wenn diese aus PEF hergestellt wurde.

Und weil PEF auch noch eine höhere mechanische Stabilität aufweist, können die Folien und Verpackungen sowie Getränkeflaschen, deutlich dünner gezogen werden. Das reduziert nicht nur die Material-, sondern auch die Transportkosten und verbessert die Umweltbilanz noch weiter.

Kreisläufe schließen

Vorbehalten zur Recyclingfähigkeit von PEF kann Kruses Mitarbeiter Markus Götz begegnen: „PEF ist PET chemisch gesehen so ähnlich, dass beide Materialien gemeinsam recycelt werden können. Es muss vorher keine aufwändige Trennung erfolgen.“ Diese Recyclingfähigkeit ist Kruse besonders wichtig: „Ökologisch gesehen sind Kunststoffe, die oft recycelt werden können, wesentlich besser als biologisch abbaubare Kunststoffe, die nur einmal eingesetzt werden.“

„Genauso entscheidend ist für uns, dass sowohl die einzelnen Prozesse als auch die gesamte Kette regenerativ sind“, sagt Kruse. „So haben wir zum Beispiel Raffinerie und Biogasanlage miteinander gekoppelt. Das heißt die Energie für die hydrothermale Reaktion kommt aus der Biogasanlage, der Abwärme aus dem Blockheizkraftwerk.“

Umgekehrt verarbeitet die Biogasanlage Nebenprodukte aus der Raffinerie, aber auch Reste vom Feld, die sonst verrotten und Kohlendioxid freisetzen würde. Um die Nährstoffe wieder zurückzuführen, werden diese aus der Biogasanlage wieder auf das Feld ausgebracht und so der Nährstoff-Kreislauf geschlossen.

Aber wie sieht die Ökobilanz aus? Auch damit beschäftigen sich die Wissenschaftler. Die zentralen Fragen: Wie schneidet jede Wertschöpfungskette im Vergleich zur konventionellen Kette ab? Ist sie wirklich ökologisch nachhaltiger als die fossile Alternative?

Um das zu ermitteln, betrachten die Wissenschaftler unter anderem Faktoren wie den Beitrag zum Treibhausgaseffekt, die eingesparte Menge an fossiler Energie und die Versauerung von Gewässern und Flächen. Bei aller Begeisterung für die Möglichkeiten wollen die Forscher auch untersuchen, ob es negative Auswirkungen auf Mensch und Umwelt geben könnte und in welcher Intensität der Anbau von Biomasse sinnvoll und risikofrei ist: Im besten Falle entstehen dadurch Arbeitsplätze. Ein negativer Effekt wäre es jedoch, wenn durch die Herstellung von Produkten aus Biomasse mehr Umweltbelastung entsteht als an ökologischer Entlastung mit ihnen einhergeht.

Biobasierte Kunststoffe am Markt etablieren

Bis sich jedoch die neuen biobasierten Kunststoffe am Markt durchsetzen werden, ist es noch ein weiter und steiniger Weg. Denn in der Regel sind diese Kunststoffe teurer als fossile Produkte. Da sich das in absehbarer Zeit auch nicht ändern wird, ist die Akzeptanz im Markt nicht besonders hoch, es sei denn, es gibt andere Anreize als den reinen Preis, die den Kauf rechtfertigen.

Letztendlich ist das ein Teufelskreis. Denn eine der größten Hürden für den industriellen Einsatz ist aktuell noch die mangelnde Verfügbarkeit dieses Materials. Die Gründe: Landwirte finden nicht genug Abnehmer aus der Industrie, um im großen Stil Biomasse dafür zu erzeugen. Für die Industrie hingegen reichen die aktuell verfügbaren Biomassemengen nicht aus, um in wirtschaftlich rentablem Maßstab Stoffe und Produkte daraus herzustellen.

Zudem existieren in der Industrie bisher noch so gut wie keine Erfahrungen, wie die Folie verarbeitet werden kann. Der Grund ist, das PEF bisher nicht auf dem Markt verfügbar ist. So müssen unter Umständen Abläufe oder Maschineneinstellungen geändert werden. Zurzeit ist auch die Folienherstellung technisch noch nicht ganz ausgereift, oft finden sich in den Folien noch Luftblasen, oder sie sind nicht klar, haben einen leichten beige-orange-Stich oder Schlieren. Aber auch dazu gibt es bereits laufende Forschungsprojekte und erste erfolgversprechende Entwicklungen.

„Wir wissen, was PEF kann. Da es aber kein reines Substitut sein soll, ist der Markteintritt noch schwieriger. Aktuell existiert noch kein wirklich geeigneter, etablierter Markt. Wir kennen also durchaus schon die Kosten, aber noch keine Preise – und das macht die Frage nach der Wirtschaftlichkeit so schwer“, sagt Götz. Deswegen verfolgt er mit einem neuen Forschungsprojekt einen weiteren Ansatz: Interessierten Firmen soll zunächst einmal gezeigt werden, dass die Verbraucherakzeptanz, das Marktpotenzial und die Nachfrage vorhanden sind und dass es sich für die Unternehmen lohnen kann, die notwendigen Investitionen zu tätigen.

„Dafür kann es ausreichen, mit kleinen Märkten zu beginnen und zu zeigen, dass das Ganze machbar ist“, sagt Götz. So können zum Beispiel bei der Direktvermarktung in Hofläden sowohl das Lebensmittel selbst als auch seine Verpackung vom Hof stammen: Ein Quinoa-Müsliriegel eingeschweißt in einer Folienverpackung, die aus dem Quinoa-Stroh“ hergestellt worden ist. Bei der Vermarktung über Hof- und Unverpackt-Läden oder Biosupermärkte lassen sich relativ einfach Fragen klären, wie „Akzeptieren Verbraucher einen höheren Preis, nur, weil die Folie aus Biomasse hergestellt ist? Und wie hoch darf der Aufschlag sein?“ Dabei sind Kunden von Hof- und Unverpackt-Läden oder Biosupermärkten in der Regel weniger preissensibel und eher bereit, mehr für das Produkt auszugeben. Sie bringen auch eher die leeren Verpackungsfolien wieder zurück, so dass diese ins Recycling gehen können.

„Sollte es gelingen mit einem hochinnovativen, wenn auch noch teuren, Produkt zunächst in kleine Nischenmärkte zu gelangen, glauben wir an eine selbstkatalysierende Wirkung der Marktdurchdringung von PEF-Verpackungen“, sagt Götz. Das soll heißen: Verläuft das Projekt erfolgreich, werden die beteiligten Partner auch nach Projektende die PEF-Verpackung weiterhin im Sortiment haben wollen. Das gibt Unternehmen die Sicherheit, dass ein Markt existiert und ihre Investitionen sich lohnen werden. Ab diesem Zeitpunkt wird die Entwicklung an Fahrt aufnehmen, was zu einer Kostenreduktion und somit einer echten Konkurrenzfähigkeit mit den fossilen Alternativen führen wird.

Text: Ursel Stuhlemmer