Cellulose, der Hauptbestandteil vieler Pflanzen, ist ein bedeutender nachwachsender Rohstoff. Aus den langen Kohlenstoffketten lassen sich Grundstoffe der chemischen Industrie ebenso herstellen wie Treibstoffe. Beide Produktgruppen werden sonst aus Erdöl erzeugt, was mit entsprechenden Folgen für das Klima verbunden ist. Doch die chemische Auftrennung der Cellulose ist zeit- und energieaufwendig. Chemiker der Universität Münster berichten nun im Fachjournal „Angewandte Chemie“ von einem neuen Verfahren, das schneller und nachhaltiger ist.

Mechanischer Einfluss auf die chemische Reaktion

Chemiker sprechen von einer Hydrolyse, wenn der Mehrfachzucker Cellulose chemisch in seine begehrten Einzelzucker zerbrochen wird. Bislang erfordert diese durch Säure katalysierte Aufspaltung drei Reaktionsschritte, denen ein hohes Maß an Energie zugeführt werden muss, damit sie ablaufen. In jüngerer Zeit hatte sich allerdings gezeigt, dass die Homogenisierung in einer Kugelmühle die Umsatzrate verbessert. Was genau dabei auf molekularer Ebene geschieht, war jedoch wenig untersucht. Genau das haben die Münsteraner Forscher geändert.

Hocheffizienter Reaktionsweg entdeckt

Sie haben analysiert, welche mechanischen Kräfte während der Reaktion in welchen Bereichen der Cellulosemoleküle wirken. Daraus folgerten sie, wie sich diese Kräfte auf den Energiebedarf der jeweiligen chemischen Reaktionsschritte auswirken. Übten die Forscher mechanische Kraft auf das molekulare Gerüst der Cellulose aus, veränderte das stark die Hydrolyse-Reaktion. „Mithilfe unserer atomistischen Rechnungen konnten wir explizit den Einfluss einer mechanischen Zugkraft auf den Reaktionsmechanismus untersuchen“, erläutert Erstautor Dr. Saeed Amirjalayer, Gruppenleiter am Physikalischen Institut der Universität Münster. „Dies ermöglichte es uns, einen bisher unbekannten und vor allem hocheffizienten Reaktionsweg für die Umwandlung von Cellulose aufzuzeigen.“

Potenzial für neuartige, gut zu recycelnde Kunststoffe

Tatsächlich verkürzt sich damit die Aufspaltung der Cellulose in ihre Bausteine auf einen einzigen Reaktionsschritt. Dieser erfordert außerdem nur einen Bruchteil der bisher benötigten Energie. Dieser Ansatz soll nun als Grundlage für ein neues effizientes und umweltfreundliches Verfahren für die Umwandlung von Cellulose dienen. Darüber hinaus könnten mit diesem Prinzip neuartige Kunststoffverbindungen hergestellt werden, die auf mechanischem Weg einfach zu recyceln wären.

bl