Biokunststoffe aus Holz
Lignozellulosehaltige Biomasse ist typischerweise nicht essbares Pflanzenmaterial, was speziell dafür vorgesehene holzartige und halmartige Nutzpflanzen sowie Reststoffe aus der Agro-Forstwirtschaft einschließt. Sie ist außerdem die am häufigsten vorkommende erneuerbare Ressource der Erde und steht das ganze Jahr über zur Verfügung. Zudem beansprucht lignozellulosehaltige Biomasse keinen wertvollen Platz auf den Feldern, da sie weder landwirtschaftlich noch für Ernährungszwecke genutzt wird. Anzumerken ist, dass Holz auf nachhaltige Weise in zertifizierten Wäldern geerntet werden kann. In den nordischen Ländern wird mehr Wald neu angepflanzt, als dort jährlich abgeholzt wird. Im Vergleich zu anderen lignozellulosehaltigen Rohstoffen wie etwa Stroh gibt es bei den Rohstoffen auf Basis von Holz für die Bioraffinerie die größten Chancen, aus fossilen Rohstoffen gewonnene Verbindungen in der chemischen Industrie zu ersetzen. Mit der Einrichtung wettbewerbsfähiger Wertschöpfungsketten auf Basis von lignozellulosehaltigen Rohstoffen wird nicht nur ein reichlich vorhandener alternativer Rohstoff für die Industrie gesichert, sondern auch die Wettbewerbsposition von chemischen Stoffen und Materialien auf biologischer Basis im Vergleich zu deren Pendants auf Basis fossiler Rohstoffe gesichert. Das EU-finanzierte Horizont 2020-Projekt ReTAPP untersuchte die Herstellung von Fruktose unter Einsatz von lignozellulosehaltiger Biomasse aus Hart- und Weichholzrohstoffen. „Die Forscher haben Enzymlösungen eingesetzt, um Fruktose auf Basis von Nahrungsmitteln/Stärke durch Fruktose aus Holz zu ersetzen und die gesamte Wertschöpfungskette für die Einführung des Produkts auf dem Markt vorbereitet“, sagt Projektkoordinator Matti Heikkilä. Bessere Umwandlungsraten Die Initiative betrieb Aktivitäten in zwei Hauptbereichen. Zum einen wurde die Wirksamkeit der Enzyme sowie die von den Projektpartnern entwickelte innovative Technologie im industriellen Umfeld erprobt, hochskaliert und demonstriert. In der zweiten Phase entwickelte man die Technologie zu einem wirtschaftlich rentablen Unternehmen, indem ein Geschäftsszenario erstellt, potenzielle Kunden und Märkte für das Produkt ermittelt und Handelspartnerschaften vorbereitet wurden. Projektpartner von drei europäischen KMU optimierten und demonstrierten die Produktionsprozesse. Dazu gehörten die auf Technik zur Umwandlung von Holz in Zucker spezialisierte Firma SEKAB E-Technology und Avantium Chemicals, ein weltweit führender Hersteller von Polyethylen-Furandicarboxylatharz (PEF). PEF ist eine revolutionäre, zu 100 % biobasierte Alternative zu Polyethylenterephthalat (PET), einer alltäglichen Form von Kunststoff für Flaschen und Verpackungen. Ein dritter kommerzieller Partner, MetGen, entwickelte neuartige Glukoseisomerase-Enzyme, die Glukose auf Holzbasis wirkungsvoll in Fruktose umwandeln können. „Unsere Ergebnisse waren viel besser als die mit den traditionell in der kommerziellen Fruktoseproduktion eingesetzten Enzymen; und das mit einer Umwandlungsrate von über 50 % bei einem großen Pilotversuch im Umfang von mehreren Tonnen“, erklärt Heikkilä. Vielfältige Vorteile Das Konsortium hat die Enzymproduktion auf einen industriellen Maßstab hochskaliert. Durch den Ausbau der Erzeugung von Massenchemikalien aus Holz kann Fruktose als ein möglicher erneuerbarer Rohstoff auf nicht zur Lebensmittelgewinnung genutzter Basis für die Herstellung von PEF über den Vorläufer Furandicarbonsäure (FDCA) dienen. „Die Technik wurde in der Bioraffinerie-Demonstrationsanlage in Örnsköldsvik, Schweden, erprobt. Sie kann von anderen Projekten und Kunden, die industrielle Zellulosezucker für nachgeschaltete biochemische Produktentwicklungen brauchen, weiterhin genutzt werden“, merkt Heikkilä an. Eine hochrangige ökonomische Untersuchung der ReTAPP-Wertschöpfungskette bewies die Wirtschaftlichkeit der Initiative, während die Ökobilanz einen deutlichen Rückgang der Treibhausgasemissionen im Vergleich zu den gegenwärtig für die Fruktoseherstellung genutzten konventionellen Routen ergab. ReTAPP unterstützt die Einführung wirtschaftlich vertretbarer Alternativen, die den Übergang von fossilen Rohstoffen zu nachhaltigen Chemikalien, Werkstoffen, Brennstoffen und Energie auf Basis von Holz erleichtern. Auf diese Weise werden die Umweltbelastung durch unsere Gesellschaft und der CO2-Fußabdruck verringert. Heikkilä betont: „Wir haben unter Einsatz von Rohstoffen der zweiten Generation, und zwar Holz, eine Wertschöpfungskette auf biologischer Basis für 100 % erneuerbare Verpackungen demonstriert, die kostengünstiger und mit besseren Barriereeigenschaften als PET ausgestattet sind. Alle im Rahmen dieses Projekts entwickelten und umgesetzten neuartigen Technologien werden auf in Europa reichlich vorhandene nachhaltige Ressourcen zurückgreifen und neue Arbeitsplätze im Bioraffineriesektor schaffen.“
Schlüsselbegriffe
ReTAPP, Fruktose, Enzym, auf biologischer Basis, lignozellulosehaltige Biomasse, Furandicarboxylat (PEF), Polyethylenterephthalat (PET)
