Aus Holzabfällen einen Hochleistungskunststoff herstellen, der fossiles PET ersetzen kann, und das ohne Hochtemperatur, Hochdruck und aufwendige Chemie. Dieses Ziel verfolgt ein Team der National Academy of Forestry Sciences in Zusammenarbeit mit der Kangwon National University in Südkorea. Mit einem neuen Verfahren ist es ihnen gelungen, den Schlüsselschritt der Reaktion auf Raumtemperatur herabzusetzen. Möglich macht das ein photoelektrochemischer Katalysator, der eine Kombination aus Licht und niedrig dosiertem elektrischen Strom nutzt, statt konventioneller thermischer Energie. Das Ergebnis ist Furandicarbonsäure, kurz FDCA, eine der wichtigsten Vorläuferverbindungen für Polyethylenfuranoat (PEF), einem biobasierten Kunststoff mit hervorragenden Eigenschaften.

Licht übernimmt die Arbeit des Hochdruckofens

Der Reaktionsweg vom Holzabfall zu FDCA umfasst zwei Schritte. Zunächst werden Holzreststoffe unter erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck in heißem Wasser zu Hydroxymethylfurfural (HMF) umgesetzt, einem Zwischenprodukt aus dem Kohlenhydratanteil der Biomasse. Die kritische zweite Stufe, die Oxidation von HMF zu FDCA, erfordert konventionell hohe Temperaturen, aggressive Oxidationsmittel und häufig Edelmetallkatalysatoren. Das koreanische Team ersetzt diesen energieintensiven Schritt durch einen fotoelektrochemischen Katalysator, der bei Raumtemperatur arbeitet. Die Forscher erreichten eine FDCA-Ausbeute von über 99 Prozent, ein Wert nahe am theoretischen Maximum für industrielle Synthesereaktionen. Diese Präzision ist für die wirtschaftliche Tragfähigkeit grüner Chemie entscheidend. Das resultierende FDCA kann mit Ethylenglykol zu PEF polymerisiert werden. PEF gilt als biobisierter Nachfolger für PET, mit besseren Sauerstoff- und CO2-Barriereeigenschaften sowie höherer Temperaturbeständigkeit.

Waldreststoffe als alternative Rohstoffbasis für Biokunststoffe

Der strategische Kern der Arbeit liegt weniger im Katalysemechanismus allein als in der Rohstoffwahl. Die meisten bisherigen Ansätze zur PEF-Herstellung setzen auf Zucker aus Mais oder Weizen, was Anbauflächen bindet und Nutzungskonkurrenzen mit Lebensmitteln erzeugt. Das koreanische Verfahren nutzt dagegen Forstabfälle und Lignocellulose-Biomasse, also Rohstoffe, die in vielen Ländern in großen Mengen anfallen, ohne landwirtschaftliche Flächen zu beanspruchen. Das unterscheidet diesen Ansatz auch vom bislang einzigen kommerziellen FDCA-Hersteller Avantium aus den Niederlanden, der pflanzliche Zucker als Ausgangsstoff verwendet. Derzeit läuft das koreanische Verfahren im Labor- und Patentierungsstadium. Ob und wann ein Scale-up gelingt, hängt von den Kosten des Katalysatorsystems, der Feedstocklogistik und dem Interesse industrieller Partner ab. Für die Bioökonomie ist der Ansatz dennoch bedeutsam, weil er einen energiearmen Weg zu einem gefragten Kunststoffbaustein aus einem sonst schwer verwertbaren Reststoffstrom zeigt.

ag