Mit nachwachsenden Rohstoffen zur grünen Chemie

Prof. Dr. Hans-Willi Kling vom Lehrstuhl für Management chemischer Prozesse in der Industrie/Analytische Chemie über die noch ungenutzten Vorteile der Lignine

Am Anfang war das Holz …

Beim Lesen über die Entwicklung der industriellen Chemie stellt man fest, dass ab Mitte des 19. Jahrhunderts viele Naturstoffe durch chemische Prozesse abgewandelt wurden, um günstigere und bessere Werkstoffe zu gewinnen. Vor allem die Zellulose, als Hauptbestandteil aller Pflanzen, rückte dabei mehr und mehr in den Fokus. Doch die Einführung von weitaus billigerem Erdöl im 20. Jahrhundert verschob noch einmal die Prämissen zu den bis heute existierenden, riesigen Industrieanlagen, die momentan noch nicht umgenutzt werden können.
An der Bergischen Universität forscht der Chemiker Prof. Dr. Hans-Willi Kling seit Jahren an natürlichen Rohstoffen und deren zukünftigem Einsatz in der Industrie. „Wir müssen einfach ein bisschen zurückgehen in die Zeit vor 1950“ erklärt er, „da war die Basis für die chemische Industrie gar nicht das Rohöl, sondern, da war die Basis für die Chemische Industrie Kohle, Teer und Pech aus der Koksherstellung. Und wenn man dann noch einmal ein paar Jahre zurückgeht, da war die Basis für die Rohstoffe der chemischen Industrie auch das Holz.“

Lignine; nachwachsende Allrounder

Lignin bedeutet in der Übersetzung ganz einfach Holz. Lignine sind feste Biopolymere, die eine stabilisierende und auch schützende Funktionen in der Zelle haben und deshalb von der Pflanze eingelagert werden. Sie geben der Pflanze in Verbindung mit der Zellulose die nötige Stabilität. Kling erklärt es am Beispiel des Baumes: „Er baut aus drei Gerüstsubstanzen, nämlich Zellulose, Hemicellulosen und Lignin eine Zellwand auf und verklebt damit die Fasern. Und das, was dann rauskommt, ist dann letztendlich das Holz. Ein Baum braucht Lignin, um die Zellulose hinterher zu stabilisieren. Zudem verhindert Lignin auch das Eindringen von Fäulnis. Das Holz wird unempfindlich und stabil.“

Ein Abfallprodukt mit Potential

In der Gewinnung von Zellulose, die zu Zellstoff aufgeschlossen wird und damit einer der wichtigsten Rohstoffe in der Papierherstellung ist, aber auch als Basis für weitere Stoffe genutzt wird, fällt Lignin zum Leidwesen Klings nur als Abfallprodukt an. „Das ist eigentlich ein bisschen traurig,“ sagt er, „denn das, was man heute damit macht ist, man verbrennt es, um einfach nur Energie daraus zu gewinnen. Dafür ist Lignin aber viel zu schade.“ In der Produktion bedeute das, Holz werde zunächst für die Zellstoffproduktion in sogenannte Hackschnitzel gehäckselt und dann in nach verschiedenen Verfahren aufgeschlossen. „Was dann dabei überbleibt, ist die Zellulose, das reine Produkt. Das sind leider nur 40% vom Baum. 60% gehen im Prinzip in die Lignine und in die Hemicellulose hinein. Die Lignine fallen dann als eine 15% ige wässrige Lösung an. Eine 15%ige Lösung zu verbrennen bedeutet, dass ich wahnsinnig viel meiner Energie, die ich nutzen möchte, nur ins Verdampfen des Wassers reinstecken muss. Im Moment lohnt es sich, weil es stark über erneuerbare Energien subventioniert wird“, aber Kling weiß, was man mit Lignin noch machen kann.
Momentan wird der umweltfreundliche, weltweit verfügbare und kostengünstige Stoff einfach nur verheizt. „Ich traue dem Lignin ein ganz, ganz großes Potential zu“, behauptet der Wissenschaftler und schlägt vor, das abgebaute Polymer zum Beispiel einfach wieder aufzubauen. „Das, was ich bei der Zellstoffgewinnung chemisch mache, das Polymer Lignin zu seinen Grundbestandteilen oder zu kürzeren Bestandteilen abzubauen, könnte ich natürlich auch wieder aufbauen. Dann hätte ich so eine Art Kunstholz.“ Der Lehrstuhl kooperiert bereits mit einigen kleinen Firmen, die mit diesem Ansatz arbeiten.

Alternativen zur Petrochemie finden

An der Hochschule selber laufen parallel Versuche, diese Lignine zu Aromaten oder Aromaten ähnlichen Substanzen umzuwandeln und so als natürlichen Ersatz für die Aromaten der Petrochemie zu ersetzen. „Da würde ich ansetzen, an der Kette Petrochemie“, sagt Kling, „nur würde ich jetzt kein Erdöl, was ja nicht nachwächst, in diesen Prozess einbringen, sondern ich würde hier nachwachsende Rohstoffe einbringen, sie also nicht verbrennen, sondern sie einer stofflichen Nutzung zuführen.“
Es gibt Forscher, die in Lignin eine mögliche Alternative zum Erdöl in der Kunststoffindustrie sehen und von Bioplastik sprechen. Ganz so einfach sieht das der Chemiker nicht, denn das heute in rauen Mengen verwendete Polyäthylen und Polypropylen ist kaum mit natürlichen Rohstoffen zu ersetzen. Jedoch beim Polystyrol, bekannt als Styropor, könnte man tatsächlich ansetzen, denn „da habe ich einen Aromaten drin“, erklärt er. „Letztendlich könnte ich aufbauend auf dieser Aromatenchemie sehr viele Substanzen, die im Moment aus Erdöl gewonnen werden, auf Basis nachwachsender Rohstoffe gewinnen und damit in dem Sinne eine grüne Chemie aufbauen.“
Der Weg dahin ist weit und steinig, denn auch Kling sieht das Problem in erster Linie in der Zellstoffindustrie, denn die Möglichkeiten des Lignins stehen wirtschaftlich überhaupt nicht zur Debatte. „Wir müssten im Prinzip die Ansprüche der Zellstoffindustrie mit den Ansprüchen der chemischen Industrie abgleichen, so dass ich immer wieder gleiche Qualitäten bekomme. Und dann würde es sich auch lohnen, entsprechende großtechnische Verfahren drauf aufzubauen.“

Der schwierige Weg der Ressourcenschonung

Die Umsetzung scheint schwierig, obwohl in der Klimadebatte die junge Generation mehr und mehr an der Ressourcenschonung interessiert ist. Die Situation sei komplex, konstatiert Kling, „wenn ich Kleidung herstelle, gehe ich in die Zellulosefaser rein. Die modifizierte Zellulose aus Holz kann ohne weiteres mit der Zellulosefaser aus Baumwolle konkurrieren, das ist nicht das Problem“, aber Lignin müsse zunächst chemisch umgearbeitet werden. „Was man jetzt machen muss, man muss die Verfahren auf großchemische Verfahren umsetzen, weil man erst dann preiswert produzieren kann“, erklärt er. Diese Anlagen gebe es aber noch nicht und da beginne ein Kreislauf, denn der Produzent habe zunächst noch nicht seinen Rohstoff in entsprechender Menge und bleibe dann sicherheitshalber noch bei der Petrochemie. „Da gilt es einfach, diese Knoten zu durchbrechen! In Technikumsversuchen haben wir schon nachgewiesen, dass man dieses Lignin zu Aromaten umarbeiten und in diese Aromatenchemie einarbeiten kann.“
Die Verfahren seien alle schon seit Jahren bekannt und Kling sagt: „Erdöl war damals zu Beginn der Petrochemie billig. Das Barrel kostete zwei bis drei US-Dollar (2019 kostete das Barrel 62, 4 USD Anm. d. Red.), aber das, was heute in der chemischen Industrie steht, sind einfach diese riesigen Anlagen. Die sind spezialisiert auf die Aufarbeitung von Erdöl und können nicht ohne weiteres andere Rohstoffe verarbeiten. Man müsste sich jetzt diese alten Verfahren wieder intensiv angucken und mit den Möglichkeiten der heutigen Techniken kombinieren, um so die Chemie wieder auf andere Beine zu stellen.“

Das neue Holz

Das neue Holz, mit dem Kling experimentiert, ist ein faserverstärkter Werkstoff, der Bausteine des Naturstoffes Lignin nutzt. Durch Reinigung und Rückführung ins Polymer, könne man die Eigenschaften des Polymers wieder steuern. Auch für die momentane Geruchsbelastung, die bei diesem Verfahren entsteht, hat er bereits ein desodorierendes Verfahren entwickelt.
„Was wir machen müssen ist, diesen Rohstoff Lignin, eine irre Menge - man redet da von 20 Milliarden Tonnen als Jahressyntheseleistung der Natur -, denn er ist nicht nur im Holz, er findet sich im Gras, Stroh, vielen Beiprodukten der Landwirtschaft, rausholen und dann kompatibel machen zu den bestehenden Verfahren und Anlagen. Dann hat man gewonnen.“
Eigentlich ist alles da, die Verfahren sind bekannt, das Material in Hülle und Fülle vorhanden und ressourcenschonend zu nutzen. Die Chemische Industrie muss auf kurz oder lang erkennen, dass sie zur Schonung unseres Planeten entscheidend beitragen kann, denn, sagt Kling abschließend, „der Chemie ist es egal, woher die Grundmoleküle kommen, ob aus Erdöl oder Holz.“ Und mit Holz hat es ja auch angefangen.

Uwe Blass (Gespräch vom 27.11.2020)

Prof. Dr. Hans-Willi Kling studierte an der Ruhr Universität Bochum und promovierte an der Bergischen Universität. Er bekleidete verschiedene Positionen in der freien Wirtschaft, er lehrte ab 2003 an die Bergische Universität parallel zu seiner Industrietätigkeit und folgte 2010 dem Ruf auf den Lehrstuhl „Management chemischer Prozesse in der Industrie“. 2012 folgte die Zusammenlegung mit der „Analytischen Chemie“ unter seiner Leitung.