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Verfahrenstechnik für Bio-Kuststoffe Wurzelbehandlung: So wird aus Chicoréewurzeln eine vielseitige Basischemikalie

Von Dominik Stephan

Rübe ab! Bevor Chicorée in den Handel kommt, wird der Großteil der Pflanze einfach weggeworfen. Dabei steckt gerade in der Wurzel das Potenzial für mehr: Mit ihren Reservekohlehydraten könnte die Rübe zum Rohstoff für Polymere und Basischemikalien werden.

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Chicorée-Wurzelrüben als Ausgangsbiomasse im Vordergrund, in der Mitte das PEF-Granulat hergestellt von der AVA Biochem und im Hintergrund PEF-Fasern für zum Beispiel Reifencord oder Textilien. Diese wurden beim DITF in Denkendorf im gemeinsamen Forschungsprojekt PFIFF und dem Nachfolgeprojekt PFIFFIG produziert.
Chicorée-Wurzelrüben als Ausgangsbiomasse im Vordergrund, in der Mitte das PEF-Granulat hergestellt von der AVA Biochem und im Hintergrund PEF-Fasern für zum Beispiel Reifencord oder Textilien. Diese wurden beim DITF in Denkendorf im gemeinsamen Forschungsprojekt PFIFF und dem Nachfolgeprojekt PFIFFIG produziert.
(Bild: © Universität Hohenheim, Maciej Olszewski)

Eine Verbindung, die man sich merken sollte: Lange Zeit war 5-Hydroxymethylfurfural, kurz HMF, den Meisten lediglich als Nachweis stark verarbeiteter Lebensmittel bekannt. Die Aldehyd-/Furanverbindung entsteht bei der thermischen Zersetzung von Zucker oder anderen Kohlenhydraten und ist unter anderem bei der Maillard-Reaktion für das typische Aroma gebräunter Speisen verantwortlich. Jetzt kommen zunehmend die Chemiker auf den Geschmack, die in HMF eine mögliche Plattformchemikalie für eine biobasierte Polymerchemie entdeckt haben.

Auf über 175 Chemikalien, vom PET-Ersatzstoff bis zu Lösungsmitteln, die aus HMF (Summenformel C6H6O3) hergestellt werden könnten, kommt etwa die AVA. Damit empfiehlt sich HMF nach Ansicht der Experten als sogenannte Plattformchemikalie, aus der sich – ähnlich wie beim fossilen Naphtha - eine Vielzahl weiterer Produkte synthetisieren ließe. Derartige Stoffe (wie etwa Lysin, Mucon- und Bernsteinsäure) sind gefragt, wenn es um die Defossilierung der stofflichen Wertschöpfungsketten geht. Und doch haben, allen Nachhaltigkeitsdebatten zum Trotz, die Rohmaterialien vom Acker keinen leichten Stand. Zu groß ist in Teilen der Bevölkerung das Misstrauen, Biopolymere würden den Ärmsten der Welt das Essen vom Teller stehlen.

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Und was ist mit Feldfrüchten, die gar keiner essen mag? So etwa beim Chicorée – schon der Salat ist mit seinem bitteren Geschmack nicht jedermanns Sache. Aber die dicke Wurzelrübe der Pflanze schafft es auch bei überzeugten Gemüsefans nicht auf den Teller. Nachdem in der Treiberei die typischen Knospen gesprossen sind, heißt es daher für den Chicorée: Rübe ab! Etwa 800.000 Tonnen Wurzeln werden in Europa so jedes Jahr gekappt und als Kompost entsorgt.

Dabei geht einiges verloren: Der Milchsaft der Rüben enthält im Herbst durchschnittlich 15 bis 20 Prozent Inulin, ein Mehrfachzucker auf Basis von Fructose. Der Energiespeicher der Pflanze wandert ungenutzt zum Abfall. Dabei wurden schon im 18. Jahrhundert die Wurzeln geröstet, um aus ihnen einen preiswerten Kaffeeersatz herzustellen.

Geröstet - und gerührt: HMF aus der Wurzel

Moment Mal – geröstete Zucker? War da nicht etwas mit HMF? Tatsächlich kann aus der Chicorée-Wurzel genau wie etwa aus Fructose HMF gewinnen – Doch im Gegensatz zum Fruchtzucker wird hier kein wertvolles Nahrungsmittel in den Reaktor geworfen, erklärt Agrartechnikerin Prof. Dr. Andrea Kruse von der Universität Hohenheim. Dafür hat Kruse zusammen mit ihrem Team eine mehrschrittige Prozesskette entwickelt, mit der Landwirte zum Chemieproduzenten werden könnten.

„Die Forschung hat gegen Ende der 2000er HMF als für die chemische Industrie spannendes Molekül entdeckt - ab diesem Zeitpunkt finden sich immer mehr Indizien, dass die Verfahrenstechnik daran arbeitet, das Molekül nicht loszuwerden, sondern zu nutzen”, erklärt Doktorand Markus Götz, der in Kurses Team an der biogenen HMF-Erzeugung forscht. Und da HMF erst einmal eher ein Nutzwertversprechen als eine konkrete Anwendung bedeutet, liefern die Hohenheimer Forscherinnen und Forscher diese gleich mit: PEF (Polyethylenfuranoat) ist der Stoff, hinter dem das Team um Prof. Kruse her ist.

„HMF könnte man auch direkt etwa als Ersatz für Formaldehyd in Phenolharz einsetzen. Interessanter aus unserer Sicht ist aber PEF”, erklärt Kruse. Der Thermoplast aus Furandicarbonsäure und Ethylenglycol kann ähnlich wie das bekannte Polyethylenterephthalat (PET) verwendet werden, ohne dass dafür fossile Ressourcen wie Naphtha benötigt werden. Aus PEF ließen sich etwa Lebensmittelverpackungen, Kunststoffflaschen, Fasern, Folien oder technische Kunststoffe gewinnen. „Die Bioökonomie hat aus diesem in früheren Zeiten unerwünschten Molekül eine der wichtigsten Plattformchemikalien gemacht”, so die Chemikerin. „Es gibt aber noch keine Anlage, die HMF in größeren Mengen produziert - deswegen gibt es auch keinen Kunststoff aus HMF zu kaufen.”

Wie es mit der Plastikfolie vom Feld klappen könnte, zeigt eine Technikumsanlage in Hohenheim: Hier werden die Rüben zunächst gehäckselt und der Zucker gelöst. Diese Lösung wird unter niedrigem Druck bei etwa 200 ° C erhitzt. Das Ergebnis: Eine ölig-braune Flüssigkeit, aus der in weiteren Schritten kristallines HMF gewonnen werden kann. Das ist eine beachtliche Karriere für Biomüll, kostet HMF im Chemikalienhandel doch schnell um die 2000 Euro das Kilo – noch. Natürlich ist, sollte die HMF-Produktion aus Reststoffen vom Feld ins Laufen kommen, mit fallenden Preisen zu rechnen. Anders ließe sich die anvisierte Verwendung als Basis für preiswerte Massenkunststoffe gar nicht rechtfertigen.

Besser als PET: Wo Biopolymere die Nase vorne haben

Denn aus HMF kann über den Zwischenschritt der Furandicarbonsäure PEF gewonnen werden – als Reaktionspartner braucht es dafür lediglich Glykol, das ebenfalls biologisch gewonnen werden kann. Der thermoplastische Polyester ist nicht nur vom Namen her dem bekannten PET-Kunststoff (Polyethylenterephthalat) sehr ähnlich. Für eigentlich alle Einsatzzwecke von PET ließe sich PEF relativ problemlos verwenden – und nicht nur das: Tatsächlich sind die stofflichen Eigenschaften, wie etwa die mechanischen Eigenschaften oder die Sauerstoff- und Stickstoffdurchlässigkeit von PEF, besser als die von PET.

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So ließen sich Tiefziehverpackungen in einer dünneren Wandstärke ausführen oder Lebensmittelfolien in Zukunft einlagig gestalten, hoffen die Forscherinnen und Forscher. „Wenn Sie eine Chemikalie "nur" biobasiert statt aus Kohle oder Erdöl herstellen, wird Ihnen der Preis immer in die Quere kommen”, erklärt Götz. „Darum haben wir mit PEF den Vorteil, dass es Eigenschaften mitbringt, die es so bisher bei keinen Monomaterial gab.”

Einen kleinen Schönheitsfehler hat das Supermaterial aus der Rübe allerdings doch: Bisher ist das gewonnen PEF-Kristall gelblich, anstelle des transparenten PETs. Auch bedeutet "bio" nicht auch kompostierbar, erklären die Entwickler. Rübenplastik gehört wie erdölbasiertes PET also in den gelben Sack – lässt sich aber genauso wie sein fossiles Pendant, recyclen. Verarbeiten ließe sich das Material aber quasi wie PET, so dass Produktionslinien nach kleineren Anpassungen weiterlaufen könnten.

Das aufkonzentrierte Endprodukt HMF.
Das aufkonzentrierte Endprodukt HMF.
(Bild: © Universität Hohenheim, Max Kovalenko)

Trotzdem werden Rübenlaster in den großen Chemieparks wohl weiterhin eine Seltenheit bleiben: Die HMF-Produktion ist von Anfang an modular und kompakt ausgelegt, um bei großen Erzeugern, etwa Genossenschaften, feldnah und dezentral verteilt zu produzieren - denn „die Biomasse kommt ja nicht aus der Pipeline, sondern wächst in der Fläche”, wie Kruse betont. In Hohenheim hat man das schon einmal durchgerechnet: Auf einem Hektar wachsen etwa 220.000 Chicoréepflanzen mit ihren entsprechenden Wurzeln. Darin: 8,14 Tonnen Inulin – genug für 2,87 Tonnen HMF. Macht beim derzeitigen Marktpreis 5,7 Millionen Euro und damit wesentlich mehr als die ca. 21. 000 Euro, die sich mit Biogas aus dieser Menge Wurzeln gewinnen ließe.

Dass der Millionär vom Acker vielleicht doch nicht ganz realistisch wäre, sollte der HMF-Preis im Zuge einer Massenproduktion sinken, ist klar. Trotzdem eröffne sich hier eine aufregende Möglichkeit, mit einem ohnehin vorhandenen Reststoff noch gute Erlöse zu erlösen, glauben die Verfahrensentwickler. Markus Götz hält daher Anlagen mit einer Kapazität von etwa 170 0Kilogramm HMF in der Stunde bzw. 20. 000 - 40. 000 Tonnen Biomasse pro Jahr für marktfähig. Das ist deutlich mehr als die ca. einKilo HMF, die derzeit in Hohenheim entstehen können - doch durch den Einsatz der Anlage direkt am Bauernhof, also in einer möglichen Einsatzumgebung, handele es sich um eine echte Pilotanlage für die zukünftige Anwendung, ist der junge Wissenschaftler überzeugt.

Wenn du es baust, werden Sie kommen: Der Markt folgt dem Produkt

Bleibt das Problem der Saisonalität: Chicorée wird als Wintergemüse zwischen Oktober und Mai geerntet. Ließe man die Wurzeln im Winter einfach liegen, um sie nach und nach zu verarbeiten, würden die empfindlichen Mehrfachzucker enzymatisch abgebaut. Es brauche also spätestens bei der großtechnischen Nutzung, Methoden zur Konservierung der wertvollen Rübe, etwa durch Vakuumtrocknung von Wurzelhack. Wie das aussehen könnte, zeigt eine Anlage von Ava Biochem in Muttenz (bei Basel): Hier wird bereits HMF aus Melasse, einem Reststoff der Zuckerproduktion gewonnen.

Denn: Bio ist im Trend. Immer mehr Firmen, gerade im Lebensmittelbereich, wollen sich von ihrem Image als Plastik-Player lösen und setzen auf alternative Materialien. Auch in Hohenheim klingelt regelmäßig das Telefon, wie Kruse erzählt. „Wir sehen auch großes Interesse Seitens der Landwirte oder der Rohstoffbranche - dazwischen in der Wertschöpfungskette, also bei Packaging-Firmen oder Produktentwicklern, ist das Interesse noch etwas verhalten und abwartend.” Jetzt ginge es darum, die Interessenten von der Rübe bis zum Nylon-Strumpf zusammen zu bekommen - wenn HMF am Markt in ausreichender Menge verfügbar wäre, würden auch die Produktentwicklungen folgen, sind sich die Forscherinnen und Forscher sicher.

Das Polymer Polyethylenfuranoat (PEF) als Kunststoffgranulat, hergestellt von der Schweizer Firma AVA Biochem, kann aus HMF gewonnen werden.
Das Polymer Polyethylenfuranoat (PEF) als Kunststoffgranulat, hergestellt von der Schweizer Firma AVA Biochem, kann aus HMF gewonnen werden.
(Bild: © Universität Hohenheim, Max Kovalenko)

Bis zur PEF-Flasche aus der Rübe dauert es noch ein Weilchen, scheint es. Übrigens ließe sich HMF auch als pharmazeutischer Wirkstoff oder Nahrungsergänzungsmittel nutzen. Besonders bei der Bekämpfung der Sichelzellenerkrankung zeigen Studien ein enormes Potenzial auf. Es steckt tatsächlich viel drin in der Wunderwurzel – doch die Stoffumwandlung bleibt das Spielfeld der Verfahrenstechniker. In Zukunft werden angehende Ingenieurinnen und Ingenieure also vielleicht nicht mehr Naphtha-Cracker berechnen, sondern einen Ausflug auf den Bauernmarkt machen - Plastik und Bio schließen sich nämlich keinesfalls aus.

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Schwesterportal Process.de.

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