Bernsteinsäure zählt in der Industrie zu den zehn bedeutendsten Plattformchemikalien und ist sowohl für Medikamente, Lack- und Pflanzenschutzmittel sowie Vitamine ein wichtiger Ausgangsstoff. Einem internationalen Forscherteam ist es nun gelungen diesen für gewöhnlich erdölbasierten Grundstoff mithilfe von Bakterien aus Holzabfällen zu gewinnen. Mit der im Fachjournal Energy & Environmental Science (2016, Online-Veröffentlichung) erschienenen Studie liefert das Team den Beweis, dass die biobasierte Produktion von Bernsteinsäure je nach Konzept günstiger und umweltfreundlicher sein kann als die erdölbasierte Variante. In Deutschland zählt der Chemiekonzern BASF zu den Vorreiten bei der Produktion von Bio-Bernsteinsäure.

Bei der Suche nach Alternativen zu erdölbasierten Chemikalien gewinnt Holz immer mehr an Bedeutung. Denn der Rohstoff ist nicht nur in großer Menge verfügbar. Holz bietet zugleich eine breite Palette von Inhaltsstoffen wie Lignin und Cellulose, die sich für eine nachhaltige Herstellung von Chemikalien eignen. Einem internationales Forscherteam unter Leitung der ETH Zürich ist es nun gelungen, eine der bedeutendsten Chemikalien mithilfe von Bakterien aus Holzabfällen zu gewinnen – Bernsteinsäure.

Holz als Cellulosequelle

Die farb- und geruchlose kristalline Bernsteinsäure ist ein wichtiger Ausgangsstoff für die Herstellung von Medikamenten, Kunststoffen oder Lack- und Pflanzenschutzmitteln. Damit Bakterien Bernsteinsäure überhaupt herstellen können, brauchen sie allerdings Glucose, ein Einfachzucker, der im Holz in dem langkettigen Zellwand-Molekül Cellulose vorkommt.

Der Studie zufolge konnten die Wissenschaftler um den Schweizer Chemiker Konrad Hungerbühler mithilfe von E. coli-Bakterien aus Holz- und Celluloseabfällen die Bio-Bernsteinsäure herstellen.  „Der Holzbestandteil Cellulose kann mithilfe von Säure in Glucose umgewandelt werden. Denn damit konkurriert man nicht mit der Nahrungsmittelversorgung“, erklärt Merten Morales, Doktorand in der Gruppe von Hungerbühler und Erstautor der aktuellen Studie. An der Studie waren der EPFL und die Technische Hochschule Chalmers in Göteborg beteiligt.

Günstig und umweltfreundlich

Je nach verwendeten Bakterien und Prozessen ist die biotechnologische Herstellung aus Holzabfällen im Vergleich erdölbasierten Herstellungsweise entweder deutlich günstiger oder deutlich umweltfreundlicher, so das Fazit der Forscher. Dafür hatten sie verschiedene Herstellungsprozesse sowie Bakterien simmuliert. Um die Umweltbelastung des Prozesses zu bewerten, wurde auch der Energieverbrauch einschließlich der zur Abfallentsorgung oder Vorproduktion benötigte Energie berücksichtigt.

Danach waren die Produktionskosten bei einer bestimmten biotechnologischen Methode im Vergleich zur erdölbasierten Bernsteinsäureherstellung um 20 Prozent günstiger. Beim Einsatz anderer Bakterien ließ sich die Umweltbelastung um 28 Prozent reduzieren , obwohl die Herstellungskosten vergleichbar mit dem traditionellen erdölbasierten Prozess waren. Ein Vergleich der Herstellung von Bernsteinsäure aus Zuckerrüben mit der aus Holzabfällen ergab hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Umweltverträglichkeit und Sicherheit aber kaum nennenswerte Unterschiede. „Wenn es möglich ist, Holzabfälle – zum Beispiel solche aus der Forstwirtschaft – zu nutzen, sollte man das tun“, betont Morales. Die Forscher sind überzeugt, dass die neue Methode auch für die Papierindustrie interessant ist.  Die dort anfallenden cellulosehaltigen Laugen, die bisher nicht verwertet werden, würden sich danach hervorragend als Glucosequellen eignen. „Die europäische Papierindustrie könnte gegenüber der starken Konkurrenz aus Übersee wieder wettbewerbsfähiger werden, wenn sie es schafft, Abfallprodukte zu veredeln und sie mit Mehrwert zu verkaufen“, argumentiert Morales.

Lohnenswerte Investition

Mit der Studie liefern die Forscher zugleich ein Argument für die Wirtschaftlichkeit einer entsprechenden biotechnologischen Produktionsanlage. In Deutschland gehört der  Chemiekonzern BASF mit zu den Voreitern auf dem Gebiet der biobasierten Bernsteinsäure. Gemeinsam mit dem niederländischen Unternehmen Corbion Purac wurde 2009 unter dem Namen Succinity ein Joint Venture zur Produktion und Vermarktung der biobasierten Chemikalie geschlossen. Eine erste Anlage wurde 2014 in Spanien eröffnet. 2013 hatte der Industriekonzern Thyssen-Krupp in Leuna die europaweit erste Mehrzweck-Fermentationsanlage zur kontinuierlichen Produktion biobasierter Chemikalien wie Bernsteinsäure eröffnet.

bb