Das Weltwirtschaftsforum (WEF) bat eine Gruppe internationaler Technologieexperten, die diesjährigen Top 10 der aufstrebenden Technologien zu ermitteln. Nachdem die Gruppe bei weiteren Experten auf der ganzen Welt Nominierungen eingeholt hatte, bewertete sie Dutzende von Vorschlägen gemäß einer Reihe von Kriterien. Haben die vorgeschlagenen Technologien das Potenzial, den Gesellschaften und Volkswirtschaften einen großen Nutzen zu bringen? Könnten sie die etablierten Vorgehensweisen ändern? Werden sie in den nächsten Jahren voraussichtlich erhebliche Fortschritte machen? „Technologien, die heute entstehen, werden die Welt morgen bald und weit in die Zukunft gestalten – mit Auswirkungen auf die Wirtschaft und die Gesellschaft insgesamt“, sagte Mariette DiChristina, Chefredakteurin von Scientific American und Vorsitzende des Emerging Technologies Steering Committee. Auf der Suche nach den Ursprüngen der Innovation wird IO die Top-10 der aufkommenden Technologien des WEF in einer 10-teiligen Serie präsentieren. Heute: Biokunststoffe für eine Kreislaufwirtschaft.

Nach der Veröffentlichung von Teil 10 finden Sie die gesamte Serie hier.

Die Welt hat ein riesiges Kunststoffproblem. Laut WEF werden weniger als 15% der Kunststoffe recycelt. Ein Großteil des Restes wird verbrannt, deponiert oder in der Umwelt zurückgelassen – wo er, resistent gegen mikrobielle Verdauung, Hunderte von Jahren bleiben kann. Plastikschmutz, der sich im Ozean ansammelt, verursacht alle möglichen Probleme, von tödlichen Folgen für Wildtiere, wenn sie ihn versehentlich fressen, bis hin zur Freisetzung toxischer Verbindungen, die durch kontaminierte Fische auch in den menschlichen Körper gelangen.

Biologisch abbaubare Kunststoffe können diese Probleme vermindern und dazu beitragen, das Ziel einer kreisförmigen Kunststoffwirtschaft zu erreichen, in der Kunststoffe aus Biomasse stammen und wieder in Biomasse umgewandelt werden. Wie Standardkunststoffe aus der Petrochemie, bestehen biologisch abbaubare Versionen aus Polymeren, die im flüssigen Zustand in verschiedene Formen gebracht werden können. Jüngste Durchbrüche bei der Herstellung von Kunststoffen aus Cellulose oder Lignin (die Trockenmasse in Pflanzen) sind vielversprechend, schon allein deshalb, weil sie aus Non-Food-Pflanzen wie Riesenschilf bestehen. Das wird auf nicht für den Nahrungsbau geeigneten Grenzertragsflächen angebaut, oder kann aus Altholz und landwirtschaftlichen Nebenprodukten gewonnen werden, die sonst keine Funktion erfüllen würden.

Cellulose, das am häufigsten vorkommende organische Polymer der Erde, ist ein Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwände; Lignin füllt die Hohlräume in diesen Wänden aus und sorgt für Festigkeit und Steifigkeit. Um aus diesen Stoffen Kunststoffe herzustellen, müssen die Hersteller diese zunächst in ihre Bausteine oder Monomere zerlegen. In letzter Zeit haben die Forscher für beide Stoffe Wege gefunden, das zu tun. Die Arbeit mit Lignin ist besonders wichtig, da die Ligninmonomere aus aromatischen Ringen bestehen – den chemischen Strukturen, die einigen Standardkunststoffen ihre mechanische Festigkeit und andere wünschenswerte Eigenschaften verleihen. Lignin löst sich in den meisten Lösungsmitteln nicht auf, aber die Forscher haben gezeigt, dass bestimmte umweltfreundliche ionische Flüssigkeiten (die größtenteils aus Ionen bestehen) es selektiv von Holz- und Gehölzpflanzen trennen können. Gentechnisch veränderte Enzyme, ähnlich denen in Pilzen und Bakterien, können das gelöste Lignin dann in seine Bestandteile zerlegen.

Auf diesen Erkenntnissen bauen die Unternehmen auf. Vertoro (mit Sitz auf dem Brightlands Chemelot Campus in Geleen, Niederlande) produziert beispielsweise Rohligninöl und „will einen in der biobasierten Wertschöpfungskette einen Platz wie Saudi-Arabien einnehmen, indem es sich darauf konzentriert, ein biobasiertes Rohöl billiger und in einem größeren Umfang herzustellen als jeder andere“. Die TU Wien hat ein System patentiert, das bioaktive Substanzen wie Cannabinoide, Flavonoide oder Polyphenole extrahieren kann, die wiederum für Medikamente und Sonnencremes verwendet werden können. Das Hamburger Start-up-Unternehmen LignoPure will „Lignin, als zweithäufigstes Biopolymer der Welt, endlich fest in unseren täglichen Produkten verankern“.

Aber es gibt noch viel mehr. Chrysalix Technologies, ein Spin-off des Imperial College London, hat ein Verfahren entwickelt, das mit kostengünstigen ionischen Flüssigkeiten Cellulose und Lignin von Ausgangsstoffen trennt. Das finnische Biotechnologieunternehmen MetGen Oy produziert eine Reihe gentechnisch veränderter Enzyme, die Lignine unterschiedlicher Herkunft in Komponenten spalten, die für eine Vielzahl von Anwendungen benötigt werden. Und Mobius entwickelt Kunststoffgranulate auf Ligninbasis für den Einsatz in biologisch abbaubaren Blumentöpfen, landwirtschaftlichen Mulchen und anderen Produkten.

Bevor die neuen Kunststoffe großflächig eingesetzt werden können, müssen viele Hürden genommen werden, lautet das Fazit des WEF-Ausschusses. „Die eine sind Kosten, die andere ist die Minimierung des Land- und Wasserverbrauchs. Auch wenn das Lignin nur aus Abfällen stammt, wird Wasser benötigt, um es in Kunststoffe umzuwandeln. Wie bei jeder großen Herausforderung, erfordern die Lösungen eine Kombination von Maßnahmen, von Vorschriften bis hin zu freiwilligen Veränderungen in der Art und Weise, wie die Gesellschaft Kunststoffe verwendet und entsorgt. Dennoch sind die aufkommenden Verfahren zur Herstellung von biologisch abbaubaren Kunststoffen ein perfektes Beispiel dafür, wie grünere Lösungsmittel und effektivere Biokatalysatoren dazu beitragen können, eine Kreislaufwirtschaft in einer Großindustrie zu schaffen.“

(Der größte Teil dieses Artikels stammt aus der 2019 Top 10 Emerging Technology Report.)