Nachhaltige Rohstoffe aus Bioraffinerieabfällen
Die nachteiligen Auswirkungen des Klimawandels verdeutlichen die Notwendigkeit, biologisch abbaubare und recycelbare Materialien mit einer geringen CO2-Bilanz nachhaltig zu produzieren. Das EU-finanzierte Projekt Zelcor hat sich dieser Herausforderung angenommen, indem es biobasierte Abfallprodukte recycelt und die Nachhaltigkeit bestehender Bioraffinerien der zweiten Generation verbessert. Diese nicht auf Erdöl basierenden Verfahren zur Herstellung von Chemikalien zielen darauf ab, die Treibhausgasemissionen zu senken und gleichzeitig die menschliche Gesundheit zu erhalten. Die Mitglieder des Konsortiums kombinierten die chemische und enzymatische Katalyse im Rahmen eines integrierten Bioraffinerie-Ansatzes mit der auf Insekten basierenden biologischen Umwandlung und demonstrierten damit die Machbarkeit der Umwandlung abbauresistenter Nebenströme aus Lignozellulose-Bioraffinerien in biobasierte Produkte mit hohem Mehrwert. „Um der steigenden Nachfrage der Industrie nach biobasierten Produkten gerecht zu werden, müssen neue Wertschöpfungsketten mit einer Kreislaufwirtschaftsmethode auf Basis von Raffinerieabfällen entwickelt werden“, sagt Projektkoordinatorin Stéphanie Baumberger. Finanziert wurde die Initiative über die gemeinsame Technologieinitiative für biobasierte Industriezweige, eine öffentlich-private Partnerschaft zwischen der EU und Industriepartnern. „Zelcor ist durch die Rückgewinnung von Ligninen aus Pilotprozessen und deren Charakterisierung auch mit anderen europäischen Projekten wie EUCALIVA und UNRAVEL verbunden“, erläutert Baumberger.
Insekten wandeln Abfall in eine Ressource um
Die Forschenden konnten aus den Nebenprodukten von Bioraffinerien drei wertvolle Rohstoffe zurückgewinnen: Lignozellulose-Rückstände (Pflanzentrockenmasse) aus der Ethanolproduktion, beim Aufschluss gelöste Lignine und ligninähnliche Humine, die durch Nebenreaktionen bei der Zuckerumwandlung gebildet werden. Ziel war es, effiziente und nachhaltige Verfahren zur großtechnischen Herstellung von Biomolekülen für Kosmetika, Verpackungen und die chemische Industrie sowie neuartige Biokatalysatoren unter Verwendung nachwachsender biologischer Ressourcen zu entwickeln. Die Projektpartner erarbeiteten vier Möglichkeiten zur Ligninumwandlung. Dazu gehörten die Lösungsmittelextraktion und die Behandlung mit ionischen Flüssigkeiten zur Gewinnung antioxidativer Extrakte, die basenkatalysierte Depolymerisation zur Herstellung aromatischer chemischer Zwischenprodukte und die Auflösungs- und Aggregationstechnologie zur Rückgewinnung kolloidaler Ligninpartikel. Außerdem nutzten sie Lignin als Substrat für die Umwandlung durch Mikroorganismen und Termiten, was deren Aufzucht in großem Maßstab ermöglichte. So wurde eine Aufzuchtanlage für Termiten, in der diese mit lignozellulosehaltigen Substraten gefüttert werden, entworfen und umgesetzt, um Biomasse für Futtermittel und Chitin, ein Polysaccharid und Hauptbestandteil des Exoskeletts der Termiten, zu produzieren. „Abbauresistente Lignozellulose-Fraktionen wurden erfolgreich als Kohlenstoffquelle für lebende Termiten oder von im Termitendarm gezüchteten mikrobiellen Konsortien genutzt. Parallel dazu wurden 16 neue auf Lignin einwirkende Pilz- und Bakterienenzyme exprimiert und charakterisiert, von denen drei für die großtechnische Produktion ausgewählt wurden“, merkt Baumberger an.
Schaffung sicherer und nachhaltigerer Produkte
Die Forschenden haben alle technischen Errungenschaften in einen bereichsübergreifenden Wertschöpfungskettenansatz integriert, um wertvolle biobasierte Produkte für die Zielmärkte bereitzustellen. Durch die Kartierung ihrer Leistungseigenschaften wählten die Forschenden die am besten geeigneten Zwischenprodukte für die Formulierung und Verarbeitung zu kosmetischen Hautpflegecremes, Lebensmittelverpackungen und wässrigen kolloidalen Systemen aus. Dank der gemeinsamen Bemühungen von Fachkräften aus der organischen und physikalischen Chemie, der Biologie und der Verfahrenstechnik kann nun aus Rohstoffen, die zuvor als Abfall angesehen wurden, eine Reihe neuer wertvoller biobasierter Produkte gewonnen werden. Unter diesen Produkten befinden sich auch phenolische Verbindungen aus pflanzlicher Biomasse, die sicherere Alternativen zu bestehenden synthetischen kommerziellen Antioxidantien wie Bisphenol A bieten, das bei der Herstellung bestimmter Kunststoffe weit verbreitet ist und als Chemikalie mit endokriner Wirkung gilt. Alle getesteten Verbindungen haben geringe Auswirkungen auf die Umwelt und können wirtschaftlich mit bestehenden Produkten auf Basis fossiler Kohlenstoffe konkurrieren. „Zelcor wird Unternehmen aus den Bereichen Chemie, Kunststoff und Kosmetik zugute kommen und ihnen die Möglichkeit geben, ihre Produkte und Anwendungen zu diversifizieren und gleichzeitig sicherere Alternativen für die Verbrauchenden und die Umwelt zu schaffen“, so Baumberger abschließend.
Schlüsselbegriffe
Zelcor, Bioraffinerie, Lignin, Kreislaufwirtschaft, Humine, Lignozellulose, Biomoleküle, Chitin, Termiten, Enzyme
