Aerogel aus Brauerei-Resten In Bier verpackt?

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Wo gebraut wird, da fällt Treber an. Diese Malzreste sind im Grunde ein Abfallprodukt, welches allenfalls als Futtermittel genutzt wird oder auf dem Kompost landet. Nun haben Empa-Forscher daraus ein Aerogel hergestellt, aus dem sich zum Beispiel bioabbaubare Lebensmittelverpackungen herstellen lassen.

Am Anfang war die Maische. Das Gemisch aus Malz und Wasser wird über mehrere Stunden gerührt und schonend erhitzt. Die Flüssigkeit, die dabei entsteht – die Würze – wird in weiteren Prozessschritten zu dem begehrten Bier. Einen weitaus weniger rühmlichen Weg hat das verbrauchte Malz vor sich. Der so genannte Biertreber endet meistens als Futtermittel oder auf dem Komposthaufen.

Dass in den Malzresten aber vielmehr steckt, zeigen Forschende aus dem Empa-Labor „Cellulose and Wood Materials“ unter der Leitung von Gustav Nyström. Sie haben nun ein Verfahren entwickelt, um aus dem Brauereiabfall hochwertige Nanocellulose herzustellen – einen vielseitigen, biologisch abbaubaren Rohstoff, der sich beispielsweise zu Verpackungen oder faserverstärkten Kunststoffen verarbeiten lässt.

Vom Biertreber zum Aerogel: Das Video der Empa fasst die Herstellung zusammen:

Holz als Rohstoff ist zu wertvoll

An der Herstellung von biologisch abbaubaren Verpackungsmaterialien aus Abfallprodukten forschte u. a. die Erstautorin der aktuellen Studie, Nadia Ahmadi Heidari, Doktorandin an der iranischen Isfahan Technical University. „Wir sind sehr daran interessiert, neue Quellen für wertvolle Rohstoffe wie Cellulosefasern und Lignin zu erschließen“, sagt die Wissenschaftlerin.

Zurzeit werden mikro- und nanofibrillierte Celluloseprodukte aus Holzstoff gewonnen. Holz lässt sich allerdings anderswo sinnvoller einsetzen. „Holz bindet CO₂ aus der Atmosphäre sehr gut, wächst aber nur langsam“, sagt Forschungsleiter Nyström. „Daher eignet es sich viel besser für langlebige Anwendungen, etwa im Bau oder zur Herstellung von Möbeln.“

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Die viel schneller wachsenden einjährigen Pflanzen wie Malz können Rohstoffe genauso gut liefern, werden aber bis heute kaum dafür genutzt. „Mit unserem Verfahren können wir aus einem sehr günstig und in großen Mengen verfügbaren Abfallprodukt, das heute größtenteils verschwendet wird, hochwertige Materialien gewinnen“, ergänzt Empa-Forscher Gilberto Siqueira, Co-Autor des aktuellen Papers. „Davon profitieren auch kleine Unternehmen, die so das Maximum aus den Rohstoffen herausholen können, die sie bereits verwenden.“

Von einem solchen kleinen Unternehmen, der Pentabier-Brauerei in Dübendorf, stammte auch der Treber, den die Forschenden für ihr Experiment verwendeten. Daraus lösten sie die Nanozellulose-Fasern heraus und verarbeiteten sie durch Gefriertrocknung zu einem Aerogel. Dieses „luftige“ Material enthält sehr viele Poren, wodurch es ausgezeichnete Wärmeisolationseigenschaften aufweist. Aerogele können aus unterschiedlichen Stoffen hergestellt werden – besonders bekannt sind Silicat-Aerogele, die im Bau zum Einsatz kommen. Auf Nanocellulose basierende Aerogele haben zusätzliche Vorteile: Sie stammen aus erneuerbaren Quellen und sind biologisch abbaubar. Das Ziel ist es, sie für Verpackungen einzusetzen, insbesondere von temperaturempfindlichen Lebensmitteln wie Fleisch.

Poren im Aerogel durch Herstellungsschritte beeinflussen

Um das Potenzial der Nanocellulose aus Biertreber genauer auszuloten, variierten die Forschenden die einzelnen Vorbehandlungs- und Herstellungsschritte und testeten deren Auswirkungen auf das Endprodukt. So verbessert sich etwa die Qualität der gewonnenen Nanocellulose-Fasern durch Bleichen und Oxidation des Ausgangsmaterials. Mittels unterschiedlichen Gefrierverfahren lässt sich die Größe und Ausrichtung der Poren im Aerogel steuern, was wiederum dessen isolierende und mechanische Eigenschaften beeinflusst.

„Dabei waren wir bestrebt, den ganzen Prozess möglichst einfach zu halten“, sagt Co-Autor Siqueira. Denn um Anwendung in der realen Welt zu finden, muss nicht nur das Endprodukt überzeugen – es sollte auch noch möglichst einfach und günstig in der Herstellung sein. Auch deshalb interessieren sich die Forschenden für Rohstoffgewinnung aus Abfallprodukten. „Verglichen mit Rückständen aus der Agrarindustrie ist Holz eine kostspielige Quelle für Cellulose, und es hat bereits so viele andere Anwendungen“, erklärt Siqueira. In weiteren Projekten untersuchen die Wissenschaftler deshalb andere Abfallprodukte aus der Lebensmittelindustrie und der Forstwirtschaft. Das Aerogel aus Resten der Bierherstellung ist also womöglich erst der Anfang einer Reihe von neuen Werkstoffen aus „Abfall“.

Originalpublikation: Nadia Ahmadi Heidari, Milad Fathi, Nasser Hamdami, Hesam Taheri, Gilberto Siqueira, and Gustav Nyström: Thermally Insulating Cellulose Nanofiber Aerogels from Brewery Residues, ACS Sustainable Chem. Eng. 2023, 11, 29, 10698–10708, Publication Date:July 12, 2023; DOI: 10.1021/acssuschemeng.3c01113

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