Wenn aus Abwasser umweltfreundlicher Kunststoff wird

Forschende: Prof. Johannes Gescher, Dr. Miriam Edel, Prof. Gerrit Albert Luinstra

Wie lässt sich die starke Abhängigkeit der chemischen Industrie von fossilen Rohstoffen senken? Und was tun mit biobasierten Industrieabfällen, von denen allein in Deutschland jährlich Millionen Tonnen anfallen? Auf den ersten Blick haben diese beiden Fragen wenig miteinander gemeinsam. Auf den zweiten aber umso mehr. Das fand ein Hamburger Forschungsteam heraus. Gemeinsam arbeiten Prof. Johannes Gescher, Leiter des Instituts für Technische Mikrobiologie, und Molekularbiologin Dr. Miriam Edel von der TU Hamburg sowie ihr Kollege von der Universität Hamburg, Prof. Gerrit Albert Luinstra (Technische und Makromolekulare Chemie), an dem Projekt BIOPACE. 

Das Ziel von BIOPACE: gemischte Rest- und Abfallstoffströme werden durch innovative biotechnologische Prozesse in wertvolle sogenannte Plattformchemikalien umgewandelt. Diese werden anschließend als Ausgangsstoffe für die chemische Synthese biobasierter Polymere verwendet und damit zur Grundlage für unterschiedlichste Kunststoffprodukte. So entsteht perspektivisch eine neue Wertschöpfungskette für bislang ungenutzte Abfallströme. Das Forschungsprojekt wird von der Joachim Herz Stiftung mit einer Summe von rund einer Million Euro gefördert.

Bei den herkömmlichen Prozessen werden Polymere hauptsächlich aus Erdöl produziert. Die Folge sind klimaschädliche CO₂-Emissionen und eine Belastung des Ökosystems durch die extreme Langlebigkeit der Kunststoffe. BIOPACE umgeht diese Probleme, wie Prof. Gescher erklärt: „Dadurch, dass wir unsere Polymere letztlich aus Biomasse und CO₂ herstellen, entziehen wir diese dem schnellen Kohlenstoffkreislauf. Das heißt, wir produzieren eine CO₂-Senke – also ein System, das mehr Kohlenstoffdioxid aufnimmt als es abgibt.“

Bei seinem Forschungsvorhaben arbeitet das Team mit einem Lebensmittelhersteller zusammen. Ausgangspunkt ist dessen Abwasser, das relativ viele Öle, Fette und gelöste Substanzen enthält. Der produktionstechnische Ablauf bei BIOPACE besteht aus drei Schritten, von denen die ersten beiden biologisch sind. „Der Abfall, mit dem wir arbeiten, enthält eine Vielzahl unterschiedlicher Mikroorganismen“, sagt Prof. Gescher. „Trotzdem müssen wir das Endprodukt des ersten Prozesses so aufbereiten, dass wir am Schluss ein sauberes Substrat für den zweiten Prozess erhalten. Das ist die wohl größte Herausforderung für uns. Wir versuchen das dadurch zu lösen, dass wir diesen ersten Schritt mit Organismen durchführen, die ganz anders funktionieren als der Organismus, der den zweiten Schritt katalysiert.“ Der Schlüssel dafür liegt in der Veränderung der Bedingungen, unter denen die Prozesse stattfinden. Während zuerst etwa mit Organismen gearbeitet wird, die bei niedrigem pH-Wert gedeihen, kommen danach Organismen im basischen Milieu zum Einsatz. Die Aufgabe, diese Produktionsorganismen zu erforschen und noch besser zu verstehen, übernimmt im Team TUHH-Molekularbiologin Dr. Miriam Edel.  

Nach diesen beiden Prozessen folgt bei BIOPACE der dritte und finale Verfahrensschritt: die chemische Synthese der Polymere, dem Spezialgebiet von Prof. Gerrit Albert Luinstra von der Universität Hamburg. „Mit Prof. Luinstra wollen wir Polymere produzieren“, so Prof. Gescher, „die es bisher so nicht auf dem Markt gibt, deren Eigenschaften aber den Polymeren ähneln, die momentan noch erdölbasiert produziert werden.“ Mögliche Produkte sind etwa Folien, oder auch Schäume, die als Isolationsmittel verwendet werden können. Oder auch Deckel für Schalen und Flaschen. „Die Idealvorstellung ist, dass ein Lebensmittelhersteller die Verpackungen aus seinen eigenen Abfällen produzieren könnte. Damit wäre der Kohlenstoffkreislauf innerhalb eines Unternehmens weitgehend geschlossen. Aktuell gibt es noch viele Ressourcenströme, die Firmen nicht nutzen.“

Innerhalb der TUHH sind für das Projekt BIOPACE Kooperationen über die bisher beteiligten Bereiche denkbar. Etwa wenn es um die Berechnungen der Wirtschaftlichkeit geht oder auch beim Thema Automatisierung. „In diesem Zusammenhang ist vor allem der Sonderforschungsbereich SMART Reactors sehr interessant für uns“, sagt Prof. Gescher. „Denn perspektivisch wollen wir, dass die Prozesse, an denen wir arbeiten, autonom ablaufen und sich selbst steuern können.“ Und natürlich zahlt BIOPACE im Besonderen auf den strategischen Fokus ein, den sich die TUHH als Ganzes gegeben hat: Engineering to Face Climate Change.